• Author / Uploaded
• Wendy Aguilar Imitola

• Categories
• Refrigeración
• Capacidad calorífica
• Temperatura
• Agua
• Calor

Citation preview

ASPEN PLUS Simulación de procesos químicos en estado estacionario

Melanio A. Coronado Hurtado I.Q. Especialista en Ingeniería de Procesos

Documento para uso académico Todos los derechos reservados Barranquilla – Colombia 2014

SECCIÓN I ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES

1. INICIACIÓN EN ASPEN PLUS INTRODUCCIÓN En los años 70’s los investigadores del Laboratorio de Energía del Instituto Tecnológico De Massachusetts (MIT) desarrollaron un prototipo para la simulación de procesos. Le llamaron Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos Advanced System for Process Engineering (ASPEN). Este software ha sido comercializado desde 1980 a partir de la fundación de una compañía denominada AspenTech que es ahora una empresa comercial pública que utiliza más de 1800 personas en todo el mundo y ofrece una solución integral completa para industrias de procesos químicos. Este sofisticado paquete de software puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de procesos desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad. Tiene una biblioteca de modelos que incorpora columnas de destilación, separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc. Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca de modelos. También posee un banco de datos de propiedades incorporado para el cálculo de los parámetros físicos y termodinámicos. Durante el cálculo del diagrama de flujo, cualquier parámetro faltante puede ser estimado automáticamente por diversos métodos de contribución de grupos.

OBJETIVOS 1. Introducir los conceptos generales de simulación del Diagrama de Flujo ("Flowsheet") y estudiar las características y propiedades de Aspen Plus. 2. Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un proceso químico en ASPEN PLUS. 3. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de componentes.

LA INTERFAZ DEL USUARIO Los elementos de la ventana principal de Aspen son (Ver Figura 1): Barra de Título: Barra horizontal en el tope de la ventana que muestra el ID de la corrida. El nombre desplegado por defecto es Simulation 1 hasta que el usuario asigne un nombre a la corrida.

Figura 1. Ventana principal de Aspen Plus

Barra de Menú: Barra horizontal debajo de la barra de título. Da los nombres de los Menús disponibles. Barra de Herramientas: Barra horizontal debajo de la barra de Menú. Contiene botones que cuando son clickeados, efectúan comandos. Botón Next: Invoca al sistema experto de ASPEN PLUS. Guía a través de los pasos para completar su simulación. Área de estado: Despliega estado de información acerca del menú actual. Botón de selección de modo: Pasa a modo Insert para insertar objetos y regresa a modo Select. Ventana de Flowsheet del proceso: Ventana donde se construye el diagrama de flujo. Librería de Modelos: Área en donde se seleccionan los modelos de unidades de operación cuyos iconos se deben colocar en el PFD. (Ver Figura 2)

Figura 2. Librería de modelos

El Buscador de datos (Data Browser) El Data Browser (Ver Figura 3) es una hoja que brinda una vista jerárquica del árbol de la simulación disponible, entrada, resultados, y objetos que se han definido. Permite también realizar una simulación asistida desde el momento en que se inicia hasta el momento de efectuar la corrida. Para abrir el Data Browser se puede proceder por una de las siguientes opciones:   

Dé un clic sobre el botón Data Browser en la barra de herramientas. Del menú Data, el clic Data Browser. El Data Browser también aparece cuándo usted abre cualquier forma haciendo doble click en la unidad introducida en la simulación u oprime el botón next cuando ha terminado de construir el PFD.

El Data Browser se utiliza para:     

Desplegar formas y hojas y manipular objetos Ver múltiples formas y hojas sin retornar al menú Data, por ejemplo cuando se cheque Parámetros de Propiedades ingresados. Editar hojas que definen la entrada para simulación del flowsheet Verificar el estado y contenido de una corrida Ver cuales resultados están disponibles.

Símbolos más usados Los símbolos comúnmente usados en Aspen Plus son: Entrada incompleta para el formulario

No se han dado entradas para el formulario. Opcional Entrada para el formulario Completa Resultados para el formulario existen Resultados para el formulario existen pero con errores de cálculo Resultados para el formulario existen pero con advertencias de cálculo

Figura 3. El buscador de datos (Data Browser)

Datos Principales Además de dibujar el diagrama de flujo el usuario debe suministrar datos incluidos dentro de las siguientes cinco carpetas principales: 1. Setup: Esta carpeta se usa para especificar información en la simulación, nombre, unidades, etc. 2. Components: Describe las diversas especies químicas involucradas en el proceso. 3. Properties: Permite escoger el (los) modelo(s) termodinámico(s) para estimar propiedades.

4. Stream: En esta carpeta se introducen las especificaciones de las corrientes del proceso, composición, presión, temperatura, flujo, etc. 5. Blocks: Carpeta para proporcionar datos acerca de los equipos que intervienen en el proceso, ya sean bombas, mezcladores, compresores, separadores, etc. 6. Reactions: en esta carpeta se introducen la o las reacciones que tendrán lugar en el proceso. Pueden ser de tipo cinético, de equilibrio, de rendimiento o estequiométrica.

Iniciación de una simulación en Aspen Plus. Para construir una simulación en Aspen Plus se puede comenzar de dos formas: La primera es construyendo el diagrama de flujo del proceso ya sea en su integridad o parcialmente, para luego, presionando el botón Next, entrar en el Data Browser e introducir las especificaciones del proceso y seleccionar componentes y el modelo termodinámico. La segunda forma es abriendo el Data Browser al inicio de la construcción de la simulación para seleccionar los componentes y modelo termodinámico de la misma forma en la que se comienza una simulación en HYSYS. A continuación, regresar a la ventana principal de la simulación e introducir uno a uno las unidades y corrientes e ir ingresando las especificaciones a lo largo de la creación del PFD. 

Abra una nueva simulación y en la ventana Aspen Plus Startup seleccione la opció Blank Simulation que aparece al iniciar Aspen Plus (Figura 4). Presione el botón OK para abrir la ventana titulada Simulation 1 de Aspen Plus

Figura 4. Ventana Startup



Haga click en el botón Data Browser de la barra de herramientas para desplegar el árbol de carpetas que aparece a la izquierda de la interfaz. Seleccione la carpeta Setup y escriba “PRUEBA 1” como nombre de la simulación (Title) y seleccione el sistema internacional SI en el cuadro unidades de medida (Units of measurement) tanto para las entradas como para las salidas. Por defecto, ASPEN proporciona flujos de las corrientes, temperaturas y otros datos varios, sin embargo la información tal como fracción molar de un componente dentro de una corriente es con frecuencia requerida pero no proporcionada por defecto. Por lo tanto, es necesario definir la información que Aspen genere inmediatamente. Despliegue la carpeta Setup, seleccione la opción Report Options, despliegue la pestaña “Stream” y en el cuadro “Fraction basis” active la casilla fracción molar (Mole) para que aparezca en el reporte.



En la carpeta Components se debe escribir en inglés el nombre del componente a ingresar si este no tiene más de ocho letras, ingresar el componente etanol escribiendo ETHANOL en la casilla Component ID. Aparecerán el nombre del componente y su fórmula en las casillas respectivas indicando que han sido bien introducidos y que hacen parte de la base de datos tal como aparece en la Figura 5.

Figura 5. Ventana de selección de componentes Si el componente tiene más de ocho letras, o si no aparece su nombre y fórmula, o no conocemos su escritura correcta en inglés, podemos explorar en la base de datos presionando el botón Find que aparece en la parte baja de la ventana. Se desplegará una ventana como la mostrada en la Figura 6.

Figura 6. El buscador de componentes.



En el árbol de la simulación, seleccione la carpeta “Properties” y sobre la ventana cuya pestaña se denomina “Global” seleccione IDEAL como modelo termodinámico en el cuadro “Property Method”. (Ver Figura 7)

Figura 7 Selección del modelo termodinámico

Esto es el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y evaporaciones espontáneas de corrientes además que permite definir toda la información (propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc.).

Estimación de propiedades físicas de una sustancia Aspen Plus cuenta con herramientas para calcular propiedades físicas de componentes. En la barra de menú seleccionar la ruta Tools, Analysis, Property, Pure (Figura 8) para abrir la ventana de cálculo de propiedades termodinámicas (Ver Figura 9). Se selecciona en el cuadro “Property” la propiedad capacidad calorífica del componente etanol (Cp), se selecciona en el cuadro “Units” las unidades J/kmol-K, se verifica el cuadro “Liquid” como la fase del componente, se selecciona el componente disponible (ETHANOL) y se presiona el botón Go.

Figura 8. Herramienta de análisis de propiedades de componentes.

Figura 9. Ventana de análisis de propiedades de componentes puros.

Se despliega la gráfica de capacidad calorífica en función de la temperatura para el etanol líquido, dentro del intervalo de temperaturas definido, que se observa en la Figura 10.

Figura 10. Gráfica de Cp vs temperatura para el etanol

Para repetir el análisis anterior para los componentes etanol y agua, se selecciona el componente agua en la misma forma que se seleccionó el etanol y se sigue la ruta explicada anteriormente para desplegar la ventana mostrada en la Figura 11.

Figura 11. Ventana de propiedades para etanol y agua.

Se nota (en la Figura 11) que se han seleccionado la misma propiedad (calor específico), las mismas unidades, la fase vapor, los componentes etanol y agua y las unidades de temperatura han cambiado a grados centígrados y el intervalo de temperaturas de 100 a 125 °C. Al presionar el botón Go se despliega la gráfica que muestra la variación del calor específico tanto del etanol como del agua en forma de vapor en función de la temperatura (Ver Figura 12).

Figura 12. Grafico Cp vs temperatura agua-etanol

Curvas de equilibrio líquido – vapor para mezclas binarias Mediante el simulador Aspen Plus se pueden realizar gráficos relacionados con las condiciones de equilibrio líquido – vapor de sistemas binarios. Para elaborar curvas de equilibrio líquido vapor del sistema agua-etanol se selecciona con anterioridad el modelo termodinámico NRTL en la carpeta Properties debido a la naturaleza de los componentes y al tipo de cálculo que se quiere analizar. Se hace necesario que el usuario satisfaga los requerimientos exigidos por el simulador con respecto a la estimación de los parámetros de interacción binaria correspondientes al modelo termodinámico seleccionado. Seguidamente, se seleccionan en el orden que aparece a continuación los siguientes menús Tools, Analysis, Property, Binary. Se despliega, entonces, una ventana titulada “Binary Analysis” como la mostrada en la Figura 13. Se observa que se han hecho las siguientes selecciones: en el cuadro “Analysis type” se escoge la opción Pxy, es decir la representación de presión en función de las composiciones en fase líquida y en fase vapor; el componente 1 es el etanol mientras que el componente 2 es el agua; el componente base es el etanol y la

composición se expresa en fracción mol; el rango de composiciones fijado para el análisis es de 0 a 1; las dos fases son una de vapor y otra líquida y la temperatura es de 77 °F.

Figura 13. Ventana de análisis binario.

Al presionar el botón Go se despliegan los gráficos de presión – fracción mol de etanol tanto en la fase líquida como en la fase vapor a 77 °F. (Ver Figura 14)

Figura 14. Gráficos P-x y P-y del sistema etanol-agua. Aspen Plus Plot Wizard

Aspen Plus cuenta con una herramienta denominada Plot Wizard para elaborar gráficos de propiedades del estado de equilibrio de mezclas binarias de una forma asistida. Después de recorrer la ruta descrita para elaborar un análisis de propiedades de mezclas binarias, introducir la información requerida y presionar el botón Go se despliega una segunda ventana titulada “Binary Analysis Results” como la mostrada en la Figura 15.

Figura 15. Resultados del análisis de una mezcla binaria

En la ventana de resultados de un análisis de propiedades de mezclas binarias de la Figura 15, aparece el botón Plot Wizard que al presionarlo se despliega la ventana mostrada en la Figura 16

Figura 16. Ventana de bienvenida del Plot Wizard Step 1

Al presionar el botón “Next” se despliega una ventana como la mostrada en la Figura 17 en donde se puede seleccionar el tipo de gráfico que se quiere elaborar.

Figura 17. Plot Wizard Step 2

En este caso, se selecciona como tipo de gráfico YX presionando el cuadro correspondiente para obtener el diagrama de equilibrio de la mezcla Etanol-Agua y se presiona el botón “Next” que después de lo anterior se observa activado. Se desplegará, entonces, una ventana como la observada en la Figura 18 en donde se seleccionan las unidades de temperatura y presión consideradas.

Figura 18. Plot Wizard Step 3

Al presionar el botón “Next” se despliega la ventana observada en la Figura 19 en donde se edita el gráfico en cuanto al título del gráfico, las leyendas sobre los ejes y otras opciones como por ejemplo, el despliegue de una leyenda dentro del cuadro que muestra el gráfico o el despliegue de la línea diagonal de pendiente uno. Presionando el botón “Finish” se despliega la ventana que muestra el gráfico de equilibrio (Ver Figura 20)

Figura 19. Plot Wizard Step 4

Figura 20. Diagrama de equilibrio para la mezcla Etanol-Agua

Análisis de equilibrio líquido – vapor para mezclas ternarias En forma similar, Aspen Plus puede realizar análisis de propiedades de equilibrio para sistemas ternarios y obtener curvas residuales. A continuación se explica el procedimiento para la construcción de un mapa de curvas de residuo para el sistema ternario compuesto por etanol, agua y acetona Se adiciona el componente acetona seleccionado desde la carpeta “Components” y se selecciona el modelo termodinámico UNIQUAC desde la carpeta “Properties” verificando la estimación de los nuevos parámetros binarios requeridos con la adición del componente acetona. Para realizar el diagrama de curvas residuales de la mezcla Etanol-Acetona-Agua se seleccionan, en el siguiente orden, los siguientes menús: Tools, Analysis, Property, Residue. Se despliega, entonces una ventana como la observada en la Figura 21, titulada “Distillation Synthesis”

Figura 21. Distillation Synthesis

En este caso se presiona el botón “Continue to Aspen Plus Residue Curves” para desplegar la ventana titulada “Residue Curves” (Figura 22) donde se introduce la información requerida por Aspen Plus para la construcción del mapa de curvas de residuo. Se observa la numeración de los componentes, la selección del número de curvas de residuo que se mostrarán en el mapa, la presión de 1 atm de la mezcla, la consideración de un equilibrio entre una fase vapor y una sola fase líquida y se muestra que el modelo termodinámico seleccionado es el UNIQUAC. Al presionar el botón Go se despliega una ventana mostrando el mapa de curvas de residuo para la mezcla etanol – agua – acetona como se observa en la Figura 23

Figura 22. Ventana de propiedades de curvas residuales.

Figura 23. Diagrama de curvas residuales del sistema Etanol-Acetona-Agua.

SECCIÓN II UNIDADES DE PROCESOS SENCILLAS

2. CICLO DE REFRIGERACIÓN

1. OBJETIVOS 1.1. Simular un ciclo de refrigeración 1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración

2. INTRODUCCIÓN Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de JouleThompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 1, la corriente “1” contiene propano líquido saturado a una temperatura de 120 °F y se expande isoentálpicamente en la válvula. La mezcla líquidovapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de 0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1” en estado de líquido saturado.

Figura 1. Ciclo de refrigeración con propano

3. SIMULACIÓN DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN Abra un nuevo caso en el simulador Aspen Plus y despliegue el formulario para el llenado de datos presionando el botón Data Browser de la barra de herramientas. Seleccione la carpeta Setup y en la ventana desplegada a la izquierda introduzca la siguiente información:

Título: Ciclo de Refrigeración Unidades: ENG Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components e introduzca como componente Propano Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties e introduzca como modelo termodinámico la ecuación de Peng-Robinson Antes de introducir las corrientes y unidades en la ventana principal de la simulación, coloque el solver del simulador en modo Automatic Run presionando en el icono en forma de luz verde que aparece en la barra de herramientas en la ventana principal. Al hacer esto colocamos el simulador en modo activo, esto es, los cálculos se irán realizando a medida que se introducen las especificaciones, tal como se efectúa en HYSYS. Corriente de alimento a la válvula: Instale una corriente de materia con las siguientes especificaciones: Nombre: 1 Fracción de vapor: 0 Temperatura: 120 °F Presión: 193 psia Flujo molar total: 100 lbmol/h Fracción molar de propano: 1.0 La fracción de vapor igual a cero se especifica abriendo la carpeta Streams y seleccionando la corriente 1. Se despliega entonces la página titulada Flash Options y en el cuadro titulado Valid phases se selecciona la opción Liquid Only. La temperatura, la presión, el flujo molar y a fracción molar de propano se ingresa en la página Specifications.

Válvula de Joule-Thompson: Instale una válvula de Joule-Thompson (nombre V-101) seleccionando de la librería de modelos en la pestaña Pressure Changers el icono de nombre “Valve” y conecte la corriente 1 como entrada e introduzca una nueva corriente de nombre 2 y conéctela en la salida como se observa en la Figura 2. Especifique la presión de descarga en 30 psia. En este caso, la conexión se hará siguiendo la siguiendo ruta: Despliegue la carpeta Flowsheet del Data Browser y seleccione la opción GLOBAL incluida dentro de la carpeta Section. Se observa a la derecha una página titulada Specifications que muestra el bloque (válvula) instalada y en donde es posible digitar las corrientes de entrada y salida de la válvula. En el cuadro titulado Input Streams se digitará 1 en la columna encabezada como ID y en el cuadro titulado Output Streams se digitará 2 en columna

encabezada como ID lo cual deja instalada esta corriente como salida de la válvula. Se recomienda al usuario desplegar el resumen de resultados de la simulación de la válvula de control y aprecie que la corriente 2 contiene una fracción de propano en forma líquida y otra en forma de vapor y la temperatura es de -12.24 °F.

Evaporador: Instale un evaporador y nómbrelo HEATER (nombre H-101), desplegando la pestaña Heat Exchangers en la librería de modelos y seleccionado un Heater. Conecte la corriente 2 como entrada e inserte una nueva corriente de nombre 3 como salida del evaporador siguiendo el procedimiento explicado en el párrafo anterior. En la carpeta Blocks del Data Browser seleccione el bloque H-101 y en la página Specifications desplegada a la derecha especifique en el cuadro titulado Flash specifications una temperatura de 0°F y 29 psia de presión.

Compresor: Instale un compresor seleccionando el icono Compressor de la pestaña Pressure Changers de la librería de modelos. Conecte la corriente 3 como entrada e inserte una nueva corriente de nombre 4 como salida del compresor siguiendo el procedimiento explicado anteriormente. En la carpeta Blocks del Data Browser seleccione el bloque C-101 y en la página Specifications desplegada a la derecha seleccione en el cuadro titulado Model and type el compresor de tipo isoentrópico y en el cuadro Outlet specification seleccione la opción Discharge pressure y digite una presión de 200 psia.

Condensador: Instale un enfriador y nómbrelo COOLER, seleccionando en la pestaña Heat Exchangers, un Heater. Conecte la corriente 4 como entrada e seleccione la corriente 1 como la salida del cooler En la carpeta Blocks del Data Browser seleccione el bloque H-102 y en la página Specifications desplegada a la derecha y dentro del cuadro titulado Flash specifications digite una temperatura de 120 °F y una presión de 193 psia. La simulación convergerá satisfactoriamente arrojando los resultados de las especificaciones de las corrientes, los flujos calóricos en el evaporador y en el condensador y la potencia requerida por el compresor. Para hacer aparecer en la Figura 1 las banderas que indican en cada corriente los valores de las temperaturas y las presiones se despliega el menú Tools y se selecciona la opción Options. Se despliega una ventana como la mostrada en la Figura 2 y se selecciona la página Results view. En este caso, además de lo seleccionado en los cuadros de verificación por defecto se han verificado la temperatura y la presión dentro del cuadro titulado Stream results. Al presionar Aplicar y Aceptar se observaran las banderas que muestran los valores de estas variables en cada una de las cuatro corrientes del diagrama de flujo del ciclo de refrigeración.

Figura 2. Opciones de visualización dentro del diagrama de flujo

Algunos resultados importantes de la simulación son los del compresor y de los equipos de transferencia de calor incluidos dentro del ciclo de refrigeración. En la Figura 3 se muestran los cálculos realizados por el simulador Aspen Plus del compresor especificado dentro de la simulación del ciclo de refrigeración.

Figura 3. Resultados del compresor

El simulador facilita la necesidad de potencia en el compresor junto con su eficiencia y la temperatura de la corriente de descarga, entre otras características. En forma similar, el usuario puede desplegar los resultados de los intercambiadores H-101 y H-102 que muestran datos importantes como los flujos calóricos intercambiados en ellos

3. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE DOS FASES 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un separador de fase isotérmico adiabático y no adiabático 1.2. Comparar los resultados obtenidos

2. INTRODUCCIÓN Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes). El caso típico es el flujo a través de una restricción cuya caída de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial, debida a lo cual en un tanque posterior puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 1 con la válvula como restricción y el tanque V-100 como el separador de fases. En el modelamiento de un separador de fases se asume que: 1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el equilibrio 2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay caída de presión. 3. Existe solo una fase líquida y vapor 4. No existen reacciones químicas 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Se tiene una mezcla de hidrocarburos cuyo flujo es de 100 lbmol/h y que contiene etano (5 % mol), propano (15 % mol), n-butano (25 % mol), n-pentano (20 % mol) y n-hexano (35 % mol) a una temperatura de 150 °F y a una presión de 50 psia. Se expande isoentálpicamente en una válvula de Joule-Thompson disminuyendo su presión a 49 psia y las dos fases líquido y vapor presentes son separadas en forma instantánea en un tanque de flasheo. Se quiere hacer la simulación de la operación del separador de fases en forma adiabática y en forma no adiabática.

4. SIMULACIÓN DE UN SEPARADOR DE FASES ISOTÉRMICO 4.1.

Instale un separador de fases y nómbrelo como V-101 seleccionando el modelo Flash2 de la pestaña Separators de la librería de modelos.

4.2.

Instale una válvula de Joule-Thompson y nómbrela como V-102 seleccionando el modelo Valve de la pestaña Pressure changers de la librería de modelos.

4.3.

Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Separador de Fases” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ingles de unidades de medida.

4.4.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes etano, propano, butano, pentano y hexano como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes

4.5.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico el IDEAL en el cuadro titulado Property Method.

4.6.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se permite la introducción de las corrientes que alimentan a cada uno de los bloques de la simulación y las conexiones entre bloque y bloque. La Figura 2 muestra que la válvula V-102 se carga con una corriente llamada ALIMENTO y se descarga con otra corriente

denominada 2, que a su vez es la corriente de entrada del tanque separador de fases V-101 del cual emergen dos corrientes de salida denominadas VAPOR y LIQUIDO, respectivamente.

Figura 2. Conexiones entre bloques de la simulación

El diagrama de flujo del conjunto ensamblado entre válvula de expansión y separador de fases se puede apreciar en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus y se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de flujo válvula – separador de fases

4.7.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

4.8.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Seleccione el bloque V-102 y en la ventana desplegada a la derecha digite que la presión de salida de la válvula es de 49 psia como se observa en la Figura 5.

Figura 5. Especificación de la válvula de Joule-Thompson

4.9.

Sobre la misma carpeta Blocks, seleccione el bloque V-101 y en la ventana desplegada a la derecha digite que la temperatura de salida del tanque separador de fases es 149 °F y la presión de salida del tanque separador de fases es de 49 psia como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Especificaciones del flash isotérmico

4.10.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación.

4.11.

Se abrirá la ventana Results Summary – Data Browser en la cual Aspen coloca a disposición del usuario los resultados de la simulación en cuanto a las especificaciones de las corrientes, los bloques y de la simulación misma (Ver Figura 7).

Figura 7. Resumen de los resultados de la simulación

El usuario puede abrir cualquiera de las carpetas. En la Figura 8 se muestra el resumen de las especificaciones del tanque separador de fases V-101.

Figura 8. Resumen de especificaciones del separador de fases V-101

Se observa que la separación de fases se realiza a una temperatura de 149 °F y a una presión de 49 psia. La fracción de vapor de la mezcla es de 0.527 y la carga calórica requerida es de -660.95718 Btu/hr. Al seleccionar la página Phase Equilibrium se despliegan las composiciones de las fases LIQUIDO y VAPOR en equilibrio separadas en el tanque V-101 que son mostradas en la Figura 9.

Figura 9. Composiciones de las fases en equilibrio

El diagrama de banderas final del sistema conformado por la válvula y separador de fases se observará como lo muestra la Figura 10.

Figura 10. Diagrama de flujo del separador de fases y la válvula de Joule-Thompson

5. SIMULACIÓN DE UN SEPARADOR DE FASES NO ISOTÉRMICO Para observar la diferencia entre una separación de fases isotérmica como la simulada anteriormente y otra simulación no isotérmica se considera que las corrientes de salida del separador de fases V-101 se encuentran a 155 °F y 40 psia y se vuelve a correr la simulación para observar las diferencias en los resultados mostrados. Para hacer los cambios anteriores se despliega la ventana de especificaciones del bloque V-101 (Figura 6) y se cambian la temperatura actual (149 °F) por la nueva temperatura (155 °F) y se cambia la presión actual (49 psia) por la nueva presión (40 psia). Al presionar el botón Next se repiten los pasos 4.10 y 4.11 y se pueden observar los nuevos resultados.

Figura 11. Diagrama de flujo – Separación de fases no isotérmica

Los cambios de condiciones del vapor y líquido en equilibrio separados en el separador de fases se observan en el diagrama de flujo mostrado en la Figura 11. El resumen de los resultados obtenidos en la separación de fases no isotérmica se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Resultados del separador de fases no isotérmico

Se observa que la separación de fases se realiza a una temperatura de 155 °F y a una presión de 40 psia. La fracción de vapor de la mezcla aumento de 0.527 a 0.747 y la carga calórica requerida cambió de -660.95718 Btu/hr a 249174.167 Btu/hr.

4. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE TRES FASES 1. OBJETIVOS 1.1. Separar en forma instantánea una corriente con un contenido de hidrocarburos y agua 1.2. Determinar los puntos de rocío y burbuja para una mezcla de hidrocarburos – agua

2. INTRODUCCIÓN Una corriente que contiene hidrocarburos y agua puede presentarse en varias fases, dependiendo de sus condiciones de estado. Los cálculos para determinar sus puntos de rocío y burbuja se describen en libros como “Design of Equilibrium Stage Processes” de Smith Buford D., McGraw-Hill (1963) y son de un relativo interés académico. HYSYS dispone de una unidad para separar, en forma instantánea, una carga que se alimente con tres fases, vapor, líquida y acuosa.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Se tiene una mezcla de hidrocarburos con un contenido de agua cuyo flujo es de 100 kmol/h y que contiene metano (10 % mol), etano (3 % mol), propano (4 % mol), n-butano (8 % mol), i-butano (10 % mol), n-pentano (12 % mol) y 2-metilbutano (13 % mol) y agua (40 % mol) a una temperatura de 20 °C y a una presión de 2 atm. Se quiere hacer la simulación de la operación del separador de fases en forma adiabática y en forma no adiabática a sabiendas que, por la naturaleza de los componentes, la mezcla puede presentar dos fases líquida dependiendo de las condiciones a las que se encuentre 4. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS – AGUA 4.1.

Instale un separador de tres fases y nómbrelo como V-101 seleccionando el modelo Flash3 de la pestaña Separators de la librería de modelos.

4.2.

Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Separador de Tres Fases” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida.

4.3.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los

componentes metano, etano, propano, n-butano, i-butano, n-pentano, 2-metilbutano y agua como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes de la simulación

4.4.

4.5.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Peng-Robinson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado

Figura 2. Conexiones al separador de tres fases V-101 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next

required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican las corrientes de entrada y salida al bloque V-101, tanto de materia como de energía. Observe la Figura 2. El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de Flujo - Separador de tres fases.

4.6.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO 4.7.

Seleccione la corriente 1 de suministro de calor al separador de fases y en la ventana de especificaciones desplegada a la derecha digite el valor cero en el cuadro Duty

colocado dentro del denominado Stream specifications (Separación Adiabática). Observe en la Figura 5 que la corriente está completamente especificada

Figura 5. Especificaciones de la corriente de calor

4.8.

4.9.

Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque V-101 y en la ventana desplegada a la derecha se digita que la presión para el cálculo flash es de 1.8 atm (la caída de presión en el separador es de 0.2 atm) como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Especificación de la presión en el separador de fases Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón

Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status. El diagrama de bloques final se observa como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Diagrama de flujo final de un separador de tres fases

4.10. Se selecciona el bloque V-101 y se despliega a la derecha una ventana que muestra algunas especificaciones como la temperatura (300 K), la presión (1.8 atm), la fracción vapor (0.575), el calor implicado (cero), la fracción del primer líquido con respecto al líquido total (0.082). Observe la Figura 8.

Figura 8. Resultados del separador de fases 4.11. Al presionar la pestaña Phase Equilibrium se despliega la ventana mostrada en la Figura 9, donde se muestran los resultados obtenidos con respecto a las composiciones en las dos fases líquidas y en la fase vapor, además de los valores de

las constantes de equilibrio entre la fase vapor y cada una de las fases líquidas para cada uno de los componentes. Se observa que la fase acuosa es considerablemente agua y muy poco presencia de hidrocarburos y la fase orgánica es concentrada en los hidrocarburos y muy baja concentración en agua.

Figura 9. Composiciones de las tres fases

Se recomienda al usuario desplegar la página Balance para observar el resultado suministrado por el simulador sobre los balances de materia y energía a través del separador de fases.

5. DIVISORES Y MEZCLADORES DE CORRIENTES 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2.

Determinar las variables de diseño de un divisor, un mezclador Simular el desempeño de un mezclador y un divisor de corrientes

2. DIVISOR DE CORRIENTES Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a través de una tubería en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en dos corrientes se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Divisor de corrientes

2.1.

CASO DE ESTUDIO

Se desea dividir 226000 lb/h de Amoniaco (-9 °F y 225 psi) en dos corrientes una con un flujo del 40 % y otra con un flujo del 60 % del flujo de la corriente de alimentación.

2.2.

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

Construir el diagrama de flujo tal como aparece en la Figura 2.1, introduciendo primero el separador y a continuación las corrientes de entrada y salidas denominadas 1, 2 y 3, respectivamente.

2.3. CONSTRUCCIÓN DEL PFD Abra el simulador Aspen Plus y seleccione una simulación en blanco. Si la librería de modelos no se observa en la parte inferior de la ventana interfaz abierta despliegue el menú “View” y seleccione la opción “Model Library” (F10)

De la librería de modelos en la parte inferior de la ventana principal, presione la pestaña Mixer/Splitters y seleccione el modelo FSplit haciendo click sobre el icono. Se observa que el puntero del mouse toma la forma de una cruz de tal manera que al hacer click sobre la ventana de trabajo del simulador se instala el modelo seleccionado Para la instalación de las corrientes, presione el icono Material Stream colocado en el extremo de izquierdo de la librería de modelos y desplace el puntero del mouse hacia la ventana de trabajo del simulador. Observe las flechas rojas desplegadas sobre el icono del divisor instalado que indican la entrada y salida de corrientes. Haga clic sobre la flecha roja de entrada y en forma sostenida desplace el mouse hacia la izquierda y quedará instalada la corriente de entrada denominada por defecto como la número 1. Habiendo quedado el puntero del mouse activado para instalar otras corrientes repita el procedimiento anterior para instalar una corriente de salida sobre la fleja roja que se observa que será denominada por defecto como la número 2. Observe que cuando la instalación de la corriente es correcta la flecha roja cambia a color azul. Con el icono Material Stream activado se pueden seguir instalando corrientes de tal manera que para la instalación de la corriente 3 haga clic sobre la flecha azul de salida y en forma sostenida desplace el mouse hacia la derecha. La separación entre las corrientes de salida se hace seleccionándolas y desplazándola hasta posicionarlo de acuerdo al propósito del usuario Presione, a continuación, el botón Next incluido dentro de la barra de herramientas y se observará el despliegue de una pequeña ventana como la mostrada en la Figura 2 (titulada “Flowsheet Complete”) que informa de una conectividad completa pero de un faltante de información para la solución del problema diagramado. Para continuar con la apertura de los formatos en donde se llena dicha información presione el botón Aceptar. Se nota que se despliega con ello el Data Browser mostrado en la Figura 2.3

Figura 2. Ventana Flowsheet Complete

2.4.

FORMULARIO PARA EL LLENADO DE DATOS (Data Browser)

Los datos requeridos para alcanzar la solución del modelo que se quiere simular se introducen en las carpetas del árbol desplegado a la izquierda de la interfaz del simulador Aspen y que se titula Setup Specifications – Data Browser. Carpeta Setup: Es la carpeta donde se ingresa la información inicial del proceso a simular. Consta de 4 páginas cuyos nombres (Global, Description, Accounting, Diagnostics) se observan en la parte superior de la ventana desplegada a la derecha del árbol de carpetas y en la página Global se introduce el título de la simulación, las unidades de medidas y otra información global (Global settings). Para la simulación del divisor de corrientes considerado en esta lección como caso de estudio ingresa como información inicial en esta carpeta la que se muestra en la Figura 3. Observe que las ramas de la carpeta Setup se encuentran en color azul, lo que índice que la información correspondiente ha sido completada

Figura 3. Carpeta Setup del formulario de datos Carpeta Components: En la página Selection de esta carpeta se seleccionan los componentes considerados en la simulación. Para el caso de estudio de una simulación de un divisor de corrientes se tiene como único componente el amoníaco el cual es ingresado seleccionando la carpeta Components y digitando el nombre AMMONIA como aparece en la Figura 4.

Figura 4. Carpeta Components del formulario de datos

Carpeta Properties: En la página Global de esta carpeta se selecciona el modelo termodinámico que se quiere utilizar para realizar los cálculos de propiedades de los componentes incluidos dentro de la simulación. La Figura 5 muestra para el caso de estudio considerado se ha seleccionado como modelo termodinámico el IDEAL

Figura 5. Carpeta Properties del formulario de datos

Carpeta Streams: Presione el botón NEXT y el botón OK de la ventana desplegada para preguntarle por la introducción de la composición y condiciones de la corriente de alimento (Corriente 1). Se despliega una ventana (Carpeta Streams) como la mostrada en la Figura 6 para la especificación de la corriente de alimento (-9 °F, 225 psig, 226000 lb/hr y fracción másica del amoniaco 1)

Figura 6. Carpeta Streams. Especificaciones de la corriente 1

Carpeta Blocks: Presione el botón NEXT y se desplegará la carpeta Blocks con la página Specifications abierta por defecto como se observa en la Figura 7. Se nota que la información requerida para el caso de estudio de un divisor de corrientes son las fracciones de flujo

correspondientes a cada una de las corrientes de salida. En este caso la corriente de salida 2 es el 40 % del flujo de la corriente de alimento 1.

Figura 7. Carpeta Blocks. Especificación del divisor de corrientes

Presione el botón NEXT y se desplegará la ventana mostrada en la Figura 8. En caso de que el mensaje sea de una información completa para el requerimiento de la simulación responda la pregunta Run the simulation now? Presionando el botón Aceptar

Figura 8. Ventana de notificación de la información completa

Se despliegan entonces las ventanas tituladas Control Panel y Economics Analysis. Presione el botón Close de la ventana Economics Analysis y observe con algún detalle los mensajes que aparecen dentro de la ventana titulada Control Panel que se muestra en la Figura 9.

Figura 9 Ventana Control Panel – Informe acerca de la secuencia de cálculos

Son importantes los mensajes de advertencias o errores reportados en la Ventana Control Panel para una simulación completamente exitosa. Presione el botón NEXT y se desplegará la ventana (titulada Results Summary Run Status – Data Browser) que muestra un resumen de los resultados como la mostrada en la Figura 10 en la opción Run Status.

Figura 10. Ventana resumen de los resultados de la simulación

A continuación se muestra en la Figura 11 la ventana que se despliega al seleccionar la opción Custom Stream Summary. Es un resumen de las propiedades de cada una de las corrientes 1, 2 y 3 conectadas al divisor de corrientes. Se verifica fácilmente la división de los flujos de

acuerdo a la fracción de 40 % para la corriente 2 y de 60 % para la corriente 3. Las otras especificaciones de las corrientes 2 y 3 son las mismas de la corriente 1.

Figura 11. Resultados de la simulación de un divisor de corrientes

3. Mezclador de corrientes Un mezclador de corrientes simula la mezcla de dos o más corrientes generando una corriente cuyo flujo total es la suma de los flujos de las corrientes de entrada. Un diagrama para un mezclador de corrientes se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Mezclador de corrientes

3.1.

CASO DE ESTUDIO

Se desea mezclar tres corrientes denominadas, benceno, tolueno y xileno, respectivamente que se encuentran a 25 °C y 1 atmósfera de presión y presentan las siguientes composiciones:

Componente

3.2.

Corriente benceno Corriente tolueno

Corriente xileno

Benceno

10.00 kmol/h

0.5 kmol/h

1.50 kmol/h

Tolueno

0.50 kmol/h

20.0 kmol/h

0.75 kmol/h

Xileno

0.25 kmol/h

1.0 kmol/h

30.00 kmol/h

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

Construir el diagrama de flujo tal como aparece en la Figura 12, introduciendo primero el mezclador y a continuación las corrientes de entrada y salida denominadas BENCENO, TOLUENO, XILENO Y MEZCLA, respectivamente. Una vez esté listo el PFD presione el botón Next localizado en la barra de herramientas para desplegar el formulario donde se especifican los datos necesarios para lograr una simulación satisfactoria. Seleccione la carpeta Setup y en la ventana abierta a la derecha digite el nombre de la simulación como “Mezclador de corrientes” Nuevamente presione el botón Next y será remitido a la carpeta Components y en la ventana abierta a la derecha especifique los componentes benceno, tolueno y xileno como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Carpeta componentes

Presione nuevamente el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Properties. En el cuadro Property method seleccione IDEAL como el modelo termodinámico como se observa en la Figura 14.

Figura 14. Carpeta Propiedades

Presione nuevamente el botón Next de la barra de herramientas y en la ventana desplegada titulada Requiered Properties Input Complete seleccione la opción Go to Next required input step y presione el botón OK. El formulario (Data Browser) desplegará la carpeta Streams en la rama correspondiente a la corriente 1 y en la ventana derecha se introducen las especificaciones de temperatura (25°C) y temperatura (1 atmósfera), flujo de benceno 10 kmol/h, flujo de tolueno 0.5 kmol/h y flujo de o-xileno 0.25 kmol/h como se observan en la Figura 15.

Figura 15. Carpeta Streams

La operación se repite para las corrientes TOLUENO Y XILENO, con los flujos de componentes dados al comienzo de esta guía y a la misma presión y temperatura. Presione el botón Next y a continuación Aspen nos muestra la ventana donde notifica que el diagrama de flujo está completamente especificado. Entonces, se presiona el botón Aceptar para hacer correr la simulación del mezclador. A continuación aparecerá un cuadro que informa que el simulador ha encontrado una solución satisfactoria y no muestra advertencias ni errores. Para desplegar los resultados se selecciona la carpeta Results Summary del formulario (Data Browser) y a continuación se selecciona la opción Streams o la opción Custom Stream Summary (Ver Figura 16)

Figura 16. Resultados de la simulación del mezclador de corrientes

6. PROCESOS CON RECICLO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso con reciclo en Aspen Plus. 1.2. Comprender el cálculo iterativo de una corriente de reciclo en Aspen Plus

2. INTRODUCCIÓN Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a ecuaciones. En el segundo modo de simulación, las ecuaciones de las unidades, corrientes y modelos termodinámicos se ensamblan y se resuelven simultáneamente. En el modo modular, los modelos termodinámicos y las ecuaciones de las unidades se almacenan como subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el orden de la conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a la topología del diagrama de flujo. Este cálculo secuencial requiere de un procedimiento iterativo cuando existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como una material corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que un material corriente arriba, conformándose lo que se denomina un lazo de reciclo o de recirculación. El simulador Aspen Plus tiene el manejo del cálculo de las corrientes de recirculación codificado de tal manera que no requiere de la inserción de un bloque de convergencia pero si es necesario conocer los criterios de tolerancia, mínimo número de iteraciones y otros para alcanzar soluciones satisfactorias

3. PROCESO ESTUDIADO En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica F1 con un flujo de 1 MMSCFH, a una temperatura de 60 °F, una presión de 600 psia y que contiene los siguientes compuestos con sus respectivas fracciones molares nitrógeno (0.0069), bióxido de carbono (0.0138), metano (0.4827), etano (0.1379), propano (0.0690), i-butano (0.0621), n-butano (0.0552), i-pentano (0.0483), n-pentano (0.0414), n-hexano (0.0345), n-heptano (0.0276) y n-octano (0.0206) es mezclada con una corriente de recirculación RC y alimentada al separador V-101 que opera adiabáticamente y donde se considera que no hay caída de presión. El vapor que emerge del tanque V-101 es alimentado al expansor E-101 para disminuir la presión a 300 psi y la mezcla generada es a su vez transportada hasta en el separador V-102 que opera adiabáticamente y donde se considera que la caída de presión es cero. La mitad del líquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 para aumentarle la presión a 600 psia, recircularla y mezclarla con el alimento fresco. Se quiere observar la variación de la concentración de la mezcla original al someterla a un proceso de expansión como el descrito anteriormente.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 4.1. Instale un separador de dos fases y nómbrelo como V-101 seleccionando el modelo Flash2 de la pestaña Separators de la librería de modelos. 4.2. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Proceso con Reciclo” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 4.3. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes nitrógeno, CO2, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes de la simulación

4.4. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Peng-Robinson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado 4.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta

Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican las corrientes de entrada y salida al bloque V-101, tanto de materia como de energía. Observe la Figura 2.

Figura 2. Conexiones al separador de tres fases V-101

El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de Flujo - Separador de tres fasesV-101 4.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO 4.7. Seleccione la corriente 1 de suministro de calor al separador de fases y en la ventana de especificaciones desplegada a la derecha digite el valor cero en el cuadro Duty colocado dentro del denominado Stream specifications (Separación Adiabática). Observe en la Figura 5 que la corriente está completamente especificada

Figura 5. Especificaciones de la corriente de calor 4.8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque V-101 y en la ventana desplegada a la derecha se digita que la presión para el cálculo flash es de 600 psi (la caída de presión en el separador es de cero). 4.9. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni

advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del separador de fases V-101. El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus ahora muestra las banderas con las temperaturas y las presiones en cada una de las corrientes conectadas al separador de fases como se en la Figura 6.

Figura 6. Diagrama de Flujo - Separador de tres fases V-101

4.10. Presione el botón Data Browser de la barra de herramientas con lo cual se despliega el formulario que contiene el árbol de carpetas para el llenado de la información relacionada con la continuación de la instalación de los bloques que constituyen el proceso con recirculación descrito en el planteamiento del problema. Seleccione la opción GLOBAL localizada dentro de la carpeta Section que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet y se desplegará una ventana que muestra que se ha instalado un solo bloque que es el separador de fases V-101. 4.11. Adiciones un nuevo bloque denominado E-101, en la segunda columna despliegue el cuadro para seleccionar el modelo Compr y conecte como corriente de entrada la llamada VAPOR (salida del separador de fases V-101) y conecte como corriente de salida la denominada VAPOREXP. Observe la Figura 7 4.12. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque E-101 y en la ventana desplegada a la derecha se selecciona como modelo una Turbine y como tipo Isentropic. Además, se digita como presión de descarga 450 psia. Se sobrentiende que las eficiencias isoentrópica y mecánica son iguales a uno. Observe la Figura 8

Figura 7. Instalación del expansor E-101

Figura 8. Especificaciones del expansor E-101

4.13. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. 4.14. Seleccione la opción GLOBAL localizada dentro de la carpeta Section que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet y en la ventana desplegada a la derecha adiciones un bloque con nombre V-102 y en la segunda columna despliegue el cuadro para seleccionar el modelo Flash2 y conecte como corriente de entrada de materia la llamada VAPOREXP (salida de la turbina E-101) y conecte como corrientes de materia de salida las denominadas VAPORPRO y LIQUIDOP.

Adicione también una corriente de entrada de calor denominada 2. Observe la Figura 9. 4.15. Despliegue la carpeta Streams del Data Browser y seleccione la corriente de entrada de calor denominada con el número 2 y especifique en la ventana de la derecha una carga calórica de cero.

Figura 9. Adición del bloque separador de fases V-102

4.16. Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks y se observará desplegado y de color rojo el bloque V-102. Digite en la ventana abierta mostrada a la derecha una presión de descarga 450 psia (es decir, que la caída de presión en el separador es cero) 4.17. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. 4.18. Seleccione la opción GLOBAL localizada dentro de la carpeta Section que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet y en la ventana desplegada a la derecha adiciones un bloque divisor de corrientes con nombre TEE-101 y en la segunda columna despliegue el cuadro para seleccionar el modelo FSplit y conecte como corriente de entrada de materia la llamada LIQUIDOP (salida del separador de fases V-102) y conecte como corrientes de materia de salida las denominadas LIQUIDOR y PROLIQ.

4.19. Presione el botón Next para desplegar la ventana de especificaciones del bloque TEE-101 y digitar en el cuadro Flow split specification for outlet streams que la corriente LIQUIDOR tiene un flujo que es una fracción 0.5 del flujo de la corriente de entrada al divisor de corrientes. Observe la Figura 10.

Figura 10. Especificación del divisor de corrientes TEE-101

4.20. Seleccione la opción GLOBAL localizada dentro de la carpeta Section que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet y en la ventana desplegada a la derecha adicione un bloque que simule una bomba con nombre P-101 y en la segunda columna despliegue el cuadro para seleccionar el modelo Pump y conecte como corriente de entrada de materia la llamada LIQUIDOR (salida del divisor de corrientes TEE-101) y conecte como corriente de materia de salida la denominada RECICLO. 4.21. Presione el botón Next para desplegar la ventana de especificaciones del bloque P-101 y digitar en el cuadro Model que el bloque es una bomba y en el cuadro Pump outlet specification digitar que la presión de descarga es 600 psia. 4.22. Presione el botón Next y se comprueba que la simulación está completamente especificada y que corre normalmente. 4.23. Seleccione la opción GLOBAL localizada dentro de la carpeta Section que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet y en la ventana desplegada a la derecha agregue dentro del bloque V-101 una corriente de entrada seleccionando la de nombre RECICLO. Con esto se cierra el diagrama de flujo de proceso y Aspen resolverá los cálculos iterativos que demanda la conexión de la corriente de recirculación. La ventana completa de la carpeta Flowsheet se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Bloques del diagrama de flujo – Conexiones

4.24. Presione el botón Next y se comprueba que la simulación está completamente especificada y que corre normalmente. El diagrama de flujo final del proceso con reciclo descrito se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Diagrama de flujo del proceso.

5. LA RECIRCULACIÓN EN ASPEN PLUS Al conectar una corriente de recirculación en una simulación realizada con Aspen Plus, el simulador detecta la corriente que como tal debe rasgarse y hace los cálculos iterativos con procedimientos y requerimientos previamente especificados para encontrar una solución que

converja satisfactoriamente. Si se despliega la ventana titulada Results Summary Convergence – Data Browser se observa en la carpeta Results Summary la opción Convergence que al ser seleccionada nos muestra una ventana como la que aparece en la Figura 13.

Figura 13. Resultados – Convergencia de la simulación

La ventana activa se titula Tear Summary (Resumen sobre el rasgado) y el cuadro debajo se titula Final status for tears (Informe final para corrientes rasgadas). Se lee, entonces, que la única corriente rasgada es la denominada RECICLO, que alcanzó un valor de convergencia y algunos valores de interés como el error máximo, la tolerancia fijada para la convergencia, la variable con error máximo y el bloque de convergencia utilizada para la realización de los cálculos iterativos. Se recomienda al usuario el estudio de la convergencia en los cálculos al hacer simulaciones con Aspen Plus para adquirir un mayor conocimiento y con ello mas argumentos para alcanzar simulaciones con resultados satisfactorios sin advertencias ni errores. Si se despliega el menú Data y se selecciona la opción Convergence se despliega un menú contextual con un conjunto de opciones que informan sobre el establecimiento de la convergencia en el simulador Aspen Plus. Por ejemplo, al seleccionar la opción Conv Options se puede ver en la página Tear Convergence la tolerancia fijada, por defecto, para alcanzar la convergencia; en la página Default Methods se pueden ver los métodos que se pueden seleccionar para el cálculo de las corrientes rasgadas, para el caso de una sola o varias especificaciones de diseño y otras y en la página Secuencing los parámetros de secuenciación y rasgado.

7. COMPRESIÓN DE UN GAS EN TRES ETAPAS 1. OBJETIVOS 1. Simular, en estado estacionario, un proceso de compresión de un gas en varias etapas. 2. Simular un proceso químico con corrientes de recirculación. 2. PROCESO ESTUDIADO Una corriente gaseosa con un flujo de 250 lbmol/h, que contiene los siguientes compuestos con sus respectivas fracciones molares nitrógeno (0.0069), bióxido de carbono (0.0138), metano (0.4827), etano (0.1379), propano (0.0690), i-butano (0.0621), n-butano (0.0552), ipentano (0.0483), n-pentano (0.0414), n-hexano (0.0345), n-heptano (0.0276) y n-octano (0.0206) se encuentra a 50°F y 80 psia y se comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresión el líquido que resulta después de un enfriamiento y separación de fases es recirculado a la entrada de la etapa de compresión que le antecede. Las condiciones de temperatura y presión son 120°F y 200 psia después de la primera etapa de compresión, 120°F y 500 psia después de la segunda etapa y 120°F y 1000 psia después de la tercera etapa. Se quiere simular el proceso completo

3. CONSTRUCCIÓN DEL PFD En esta simulación se procederá construyendo primero el diagrama de flujo introduciendo primero las unidades de proceso (tanques, enfriadores y compresores) y a continuación introduciendo las corrientes y conectando los equipos tal como se ilustra en el PFD.

3.1 De la librería de modelos en la parte inferior de la ventana principal, ir a la pestaña Separators y seleccionar el modelo Flash 2 para los separadores V-101, V-102, V-103 y V-104 que se instalan en la ventana de trabajo del simulador 3.2 Del mismo modo, de la pestaña Heat Exchangers seleccionar el modelo Heater para los enfriadores E-101, E-102 y E-103 e instalarlos en la ventana de trabajo del simulador 3.3 De la pestaña Pressure Changers seleccionar el modelo Compressor para los compresores K-101, K-102 y K-103 e instalarlos en la ventana de trabajo del simulador. 3.4 De la pestaña Mixers/Splitters seleccionar el modelo Mixer para los mezcladores M-101, M-102 y M-103 e instalarlos en el simulador. 3.5 De la librería de modelos Material Streams presionar el botón que representa a una corriente de materia y conectarla al mezclador M-101 haciendo clic sobre la flecha roja de entrada y deslizando el mouse hacia la izquierda. Asignarle como nombre

ALIMENTO. Continuar en forma similar con la corriente 2 haciendo la conexión entre los conectores de color rojo de salida del mezclador y de entrada del separador de fases V-101. En forma similar, siempre y cuando se observen activadas las flechas de conexión instale la corriente 3 y la corriente RESIDUOL. 3.6 De la librería de modelos Material Streams presionar el botón desplegable para seleccionar el modelo Heat Streams e instalar una corriente de calor de entrada al separador V-101 haciendo clic sobre la flecha azul de entrada y asignarle como nombre Q-1. 3.7 En forma similar continuar las conexiones entre las siguientes unidades hasta completar la construcción del PFD como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Proceso de compresión de un gas en tres etapas

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Cuando el PFD haya sido completado, presionar el botón Data Browser ubicado en la barra de herramientas para desplegar la ventana del buscador de datos. 1. En la carpeta Setup digitar el nombre de la simulación “COMPRESION EN TRES ETAPAS” y seleccionar unidades inglesas “ENG”. 2. Presione el botón Next para trasladarse a la carpeta Components e introducir los componentes presentes en el proceso. Ver Figura 2. 3. Presione el botón Next para trasladarse a la carpeta Properties y seleccionar la ecuación de Peng – Robinson como el modelo termodinámico a aplicar para el cálculo de propiedades en el proceso. Ver Figura 3. 4. Presione el botón Next para trasladarse a la carpeta Streams y seleccionar la corriente ALIMENTO para especificarla de acuerdo a las condiciones expresadas en el planteamiento del problema. Ver Figura 4.

Fig. 2. Ventana de especificación de componentes

Figura 3. Ventana de especificación del modelo termodinámico

Figura 4. Ventana de especificaciones de la corriente ALIMENTO

5. Presione el botón Next y el simulador lo trasladará a las corrientes de entrada de calor conectadas en cada uno de los separadores de fases. Considere que estos bloques operan adiabáticamente de tal manera que al seleccionar cada de las corrientes Q-1, Q-2, Q-3 y Q-4 especifique como cero su flujo calórico. 6. Presione el botón Next y el simulador lo trasladará a la carpeta Blocks. Seleccione el bloque mezclador de corrientes M-101 y asígnele una presión de operación de 80 psia (es decir, caída de presión cero). Observe la Figura 5.

Figura 5. Especificación de la presión en el mezclador M-101

7. Proceda en forma similar con los mezcladores M-102 y M-103 asignándole al primero una presión de 200 psia y al segundo una presión de 500 psia. 8. Seleccione el bloque separador de fases V-101 y asígnele una presión de operación de 80 psia (es decir, caída de presión cero). Observe la Figura 6.

Figura 6. Especificación de la presión en el separador de fases V-101

9. Proceda en forma similar con los separadores de fases V-102, V-103 y V-104 asignándole al primero una presión de 200 psia y al segundo una presión de 500 psia y al tercero una presión de 1000 psia. 10. Seleccione el bloque compresor K-101, seleccione tipo isoentrópico y asígnele una presión de descarga de 205 psia (es decir, un aumento de presión de 125 psia). Observe la Figura 7.

Figura 7. Especificación de la presión de descarga en el compresor K-101

11. Proceda en forma similar con los compresores K-102 y K-103 asignándole al primero una presión de descarga de 505 psia y al segundo una presión de 1005 psia. 12. Seleccione el bloque enfriador E-101 y asigne a su corriente de salida una temperatura de 120 °F y una presión de 200 psia (es decir, una caída de presión de 5 psia). Observe Figura 8.

Figura 8. Especificación del enfriador E-101

13. Proceda en forma similar con los enfriadores E-102 y E-103 asignándole a ambos una temperatura de 120 °F y presiones de descarga de 500 psia en el psia y 100 psia en el segundo (es decir, que las caídas de presión en cada uno de ellos es de 5 psi). 14. Al introducir las especificaciones para los bloques, el sistema indica que está completamente especificado. A continuación se presiona nuevamente en el botón Next e inmediatamente el simulador indica que todas las especificaciones requeridas han sido introducidas y preguntará si se quiere correr la simulación. Entonces se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. En caso de errores o advertencias se hace necesario revisar los dictados mostrados en el informe previo para hacer las correcciones. Es posible que las fallas no sean de especificaciones o de la construcción del diagrama de flujo sino de los criterios de convergencia utilizados por defecto por el simulador. 15. Para lograr una convergencia normal se recomienda seleccionar como método de cálculo de las corrientes de reciclo el de Newton (Ver Figura 9) y como tolerancia aceptable para un resultado satisfactorio el valor de 0.001 (Ver Figura 10). Todo esto dentro de la carpeta Convergence del Data Browser.

Figura 9. Método de convergencia para el cálculo de las corrientes de reciclo

Figura 10. Tolerancia para la convergencia en el cálculo de los reciclos

16. Alcanzada la convergencia se despliega la ventana titulada Results Summary Run Status – Data Browser mostrada en la Figura 11 y en el diagrama de flujo final se despliegan las banderas que muestran la temperatura y la presión en cada corriente como se observa en la Figura 12.

Figura 11. Resumen de Resultados

Figura 12. Diagrama de flujo final del proceso de compresión

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO La tabla de corrientes mostrada en la Figura 13 permite observar las propiedades de cada una y verificar los resultados obtenidos en la simulación. Se nota que se ha alcanzado el objetivo de comprimir una corriente ALIMENTO con un contenido conocido desde una presión de 80 psia hasta una presión considerablemente alta de 1000 psia mediante un aumento realizado en tres etapas mostrado en la corriente ALTAPRES. También se observa la remoción de una corriente en fase líquida denominada RESIDUOL con un contenido hidrocarbonado apreciable lo cual amerita el considerar su destino, es decir, su conveniencia o inconveniencia. De igual manera, se puede decir que están muy justificadas las corrientes de recirculación en virtud del aprovechamiento que con ellas se hace del material utilizado.

Figura 13. Tabla de corrientes del proceso de compresión

El usuario puede desplegar los resultados de los cálculos arrojados por el simulador en algunos bloques de interés como son aquellos donde se requieren servicios energéticos como en los enfriadores y los compresores. No se muestra una tabla de equipos porque no se dispone en el simulador como se dispone de una tabla de corrientes

8. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una versión simplificada de una planta de enfriamiento de un mezcla de hidrocarburos gaseosa 1.2. Especificar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para completar sus grados de libertad

2. INTRODUCCIÓN En este ejercicio se modelará una versión simplificada de una planta de gas refrigerada. Una mezcla gaseosa que contiene hidrocarburos, agua, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono a 15 °C y 6200 kPa se enfría hasta conseguir condensarlo completamente a una temperatura de 15.18 °C. Se utiliza como medio enfriante una fracción fría del mismo alimento que es recirculada para extraer calor del vapor en un intercambiador de calor de carcasa y tubo. Después de un segundo enfriamiento, dicho vapor se condensa parcialmente, la mezcla de dos fases se separa, se recoge el líquido como el producto enfriado y se aprovecha el vapor para el primer enfriamiento.

3. PROCESO ESTUDIADO La corriente GAS a 15 °C y 6200 kPa, se somete a una separación de fases, en el recipiente V-101, incluido para eliminar la posible formación de condensado. El vapor corriente 3 se enfría en dos intercambiadores en serie, E-101 y E-102, condensando una fracción de dicho vapor. La mezcla líquido-vapor corriente 6 a una temperatura de -15.18 y 6130 kPa °C se separa en el recipiente V-102, recogiéndose el líquido como el producto enfriado y el vapor se recircula como medio enfriante en el intercambiador E-101. El intercambiador E-101 es un enfriador de carcasa y tubo mientras que el E-102 es un enfriador donde simplemente se simula el flujo calórico que debe extraerse de la corriente de proceso para enfriarlo.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

Peng-Robinson

Componentes:

Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano, nPentano, n-Hexano, n-Heptano y Agua.

Reacciones:

No hay

Sistema de unidades:

SI

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 6. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Separators de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Flash2 (Separador de dos fases) y nómbrelo como V-101. 7. A continuación presione la pestaña Material Streams de la librería de modelos y conecte, al separador de fases instalado, la corriente de entrada GAS y la corriente de salida de líquido como la número 2 y la corriente de salida de vapor como la número 3. 8. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor catalítico” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 9. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano y Agua. 10. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione en el cuadro titulado Property Method la ecuación de PENG-ROBINSON. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 11. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Stream del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la pestaña Specifications en donde se especifica la corriente de entrada (GAS) de acuerdo a las condiciones planteadas anteriormente. Observe la Figura 1. 12. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque V-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se selecciona en el cuadro Flash specifications la opción Temperature y se digita a la derecha 15 °C y en el cuadro Pressure se digita el valor cero, que quiere decir que no hay caída de presión en el tanque. Observe Figura 2. 13. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias.

Figura 1. Especificaciones de la corriente GAS

Figura 2. Condiciones de operación del separador de fases V-101

14. A continuación presione la pestaña Heat Exchangers de la librería de modelos, despliegue el menú correspondiente a la opción HeatX y seleccione el modelo de intercambiador de carcasa y tubo referenciado como E-HS-1CN y nómbrelo como E101. 15. Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Flowsheet/Section/GLOBAL. En la ventana desplegada a la derecha conecte las corrientes de entrada y salida del intercambiador E-101 como se muestra en la Figura 3. Tenga en cuenta que la corriente 3 sea la caliente de entrada H(IN), la corriente 4 sea la caliente de salida H(OUT), la corriente 7 sea la fría de entrada C(IN) y la corriente 8 la fría de salida C(OUT). Observe la Figura 3. 16. Presione la pestaña Heat Exchangers y seleccione el modelo Heater y nómbrelo como E-102. Conecte como corriente de entrada la número 4 y como corriente de salida la número 5.

Figura 3. Conexiones del intercambiador E-101.

17. Presione la pestaña Separators y seleccione el modelo Flash2 y nómbrelo como V-102. Conecte como corriente de entrada la número 5, como corriente de salida de líquido la número 6 y como corriente de salida de vapor la número 7. Observe en la Figura 4 el diagrama de flujo elaborado, en donde se tiene un lazo de enfriamiento entre el intercambiador E-101, el intercambiador E-102 y el separador de fases V-102.

Figura 4. Diagrama de flujo – Planta de enfriamiento de un gas

18. Seleccione el bloque E-101 dentro de la carpeta Blocks del Data Browser y especifique como restricción una temperatura de salida de la corriente caliente de 273 K, en la ventana Specifications y el resto de especificaciones del diseño del intercambiador como se muestran en la Figura 5. 19. Presione la pestaña Pressure Drop k de la ventana de especificaciones del intercambiador E-101 y digite una caída de presión de 5 psi por el lado caliente (Hot side) y 0.7 psi por el lado frio (Cold side). Observe la Figura 6 para el lado caliente.

Figura 5. Especifiaciones del intercambiador E-101

Figura 6. Caídas de presión en el intercambiador E-101

Figura 7. Especificaciones del intercambiador E-102

20. Seleccione el bloque E-102 dentro de la carpeta Blocks del Data Browser y especifique como condiciones de operación una temperatura de -15 °C y una caída de presión de cero. Observe la Figura 7.

21. Seleccione el bloque V-102 dentro de la carpeta Blocks del Data Browser y especifique como condiciones de operación una temperatura de -15 °C y una caída de presión de cero. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones del intercambiador V-102 22. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y pregunta si se desea correr la simulación. Se presiona, entonces, el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega la ventana titulada Control Panel en donde indica que la simulación se ha completado correctamente sin advertencias y aclara que durante el procesamiento ocurrió un error severo que se explica en virtud del modo secuencial modular como opera el simulador. Al presionar el botón Check Results se despliega la ventana que se muestra en la Figura 9 en donde se puede leer que la simulación se ha completado normalmente (Calculations were completed normally).

Figura 9. Resumen de resultados de la simulación

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Al seleccionar la opcíon Custom Stream Summary se despliega la tabla de corrientes (Figura 10) que muestra un conjunto de propiedades para cada una de ellas. Se hace notar la corriente

6 porque es el producto frío obtenido en forma líquida del gas enfriado desde una temperatura de 15 °C hasta una temperatura de -15 °C. Muestra un alto contenido en metano y etano con contenidos menores en los otros componentes.

Figura 10. Tabla de corrientes de la planta de enfriamiento del gas

Con respecto al intercambiador E-101 se puede observar (Ver Figura 11) el resumen de las corrientes que fluyen a través de tanto la carcasa como los tubos.

Figura 11. Resumen de corrientes a través del intercambiador E-101

Se observa una pequeña condensación del gas de entrada y una considerable cantidad de flujo calórico intercambiado entre las corrientes.

Al presionar la pestaña Exchanger Details se despliega una ventana donde se muestran algunos cálculos relacionados con el diseño del intercambiador E-101 como el flujo calórico intercambiado, el área de transferencia de calor requerida, el coeficiente global de transferencia de calor utilizado en los cálculos y el LMTD calculado, además del número de carcasas en serie.

Figura 12. Detalles de diseño del intercambiador E-101

El diagrama de flujo final del proceso se muestra en la Figura 13. La corriente 2 no muestra especificaciones porque la corriente GAS es completamente una mezcla de vapores y, por lo tanto, no hay presencia de líquido que pudiera explicarse el contenido de la corriente 2.

Figura 13. Diagrama de flujo final del proceso de enfriamiento de un gas

SECCIÓN III SIMULACIÓN DE REACTORES

9. REACTOR ESTEQUIOMÉTRICO 1. OBJETIVOS 1. Simular, en estado estacionario un reactor estequiométrico 2. Verificar los resultados obtenidos por Aspen Plus con los calculados teóricamente

2. INTRODUCCIÓN Reacción de conversión Un Reactor Estequiométrico es un recipiente en el cual se realiza, solamente, un conjunto de reacciones especificadas por su estequiometría y sus conversiones. Cada reacción procederá hasta que se alcance la conversión especificada o hasta que se agote el reactivo límite.

3. PROCESO ESTUDIADO Dos corrientes, una de monóxido de carbono puro a 550 °C, 1000 kPa y 100 kgmol/h y otra de hidrógeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presión y un flujo de 300 kgmol/h se alimentan a un reactor estequiométrico donde dichos reactivos se convierten en en metano y agua mediante la siguiente reacción química:

CO + 3 H2

CH4 + H2O

Se quiere simular la anterior reacción dentro de un reactor estequiométrico y verificar los resultados mostrados por el simulador

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades: Reacción:

Peng-Robinson Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano Sistema SI CO + 3 H2 CH4 + H2O

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RStoic (Reactor Estequiométrico) y nómbrelo como R-101.

5.2 Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor Estequiométrico” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 5.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes CO, hidrógeno y agua como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Componentes de la reacción

5.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Peng-Robinson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican las corrientes de entrada (MONOXIDO e HIDROGEN) y salida (PRODUCTO) de materia al bloque R-101. Observe la Figura 2. El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 2. Conexiones al reactor R-101

Figura 3. Diagrama de Flujo – Reactor estequiométrico R-101

5.5 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente MONOXIDO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente MONOXIDO

5.6 Seleccione la corriente HIDROGEN y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 5. Observe que la corriente está completamente especificada.

Figura 5. Especificaciones de la corriente HIDROGEN

5.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se digita que la presión en el reactor es de 1000 kPa y la temperatura es de 550 °C. Observe la Figura 6.

Figura 6. Especificación de temperatura y presión en el reactor

5.8 Presione la pestaña Reactions con lo cual se despliega la ventana donde ingresar la reacción que se lleva a cabo en el reactor. Presione el botón New y se desplegará una ventana con título Edit Stoichiometry donde se escriben los componentes de la reacción y sus respectivos coeficientes estequiométricos. En las casillas a la izquierda se digitan los reaccionantes y en las casillas de la derecha se digitan los productos.

Observe la Figura 7. En la parte inferior de la misma ventana seleccione la opción Fractional conversión y digite a su derecha el valor 0.8 y en el cuadro Component seleccione CO. Al presionar el botón Close se observa descubierta la ventana del reactor como se muestra en la Figura 8.

Figura 7. Estequiometría y conversión de la reacción

Figura 8. Ventana de especificaciones del reactor estequiométrico R-101

5.9 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del reactor estequiométrico R-101. El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus ahora muestra las banderas con las temperaturas y las presiones en cada una de las corrientes conectadas al reactor estequiométrico como se en la Figura 9.

Figura 9. Diagrama de Flujo – Reactor estequiométrico R-101

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO La tabla de corrientes mostrada en el resumen de resultados de corrientes permite observar las propiedades de cada una y verificar los resultados obtenidos en la simulación. Se nota, por ejemplo, un producto con un contenido de acuerdo a un balance estequiométrico de los componentes de la reacción.

7. CASOS DE ESTUDIO 1. Escriba las ecuaciones de balance de materia de cada uno de los componentes de la reacción simulada 2. Con las ecuaciones planteadas, verifique los resultados de los flujos de cada uno de los componentes con los obtenidos por Aspen Plus vistos en el libro de trabajo

10. REACTOR DE EQUILIBRIO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso de producción de acetato de etilo a partir de la reacción entre ácido acético y etanol. 1.2. Simular un reactor de equilibrio y comparar los resultados con los arrojados por un reactor de Gibbs.

2. INTRODUCCIÓN El acetato de etilo es un éster utilizado para varios propósitos en procesos de la industria química, especialmente, como saborizante. Una forma simple de obtenerlo es mediante la reacción de esterificación entre el ácido acético y el etanol que requiere adicionalmente de un catalizador de ácido sulfúrico como agente deshidratante y el aporte de calor. Siendo una reacción reversible alcanza un estado de equilibrio que se puede determinar haciendo una simulación en un reactor de equilibrio o en un reactor de Gibbs.

Reactor de Equilibrio Un reactor de equilibrio es un recipiente en el que se modelan reacciones en equilibrio. Las corrientes de salida del reactor se encuentran en estado de equilibrio químico y físico.

Reactor de Gibbs El Reactor de Gibbs calcula las composiciones de las corrientes de salida correspondiente a las del equilibrio químico del sistema reaccionante y, además, calcula las composiciones en estado de equilibrio de las fases líquido y vapor correspondientes. En la simulación de este tipo de reactor, el cálculo de las composiciones de la corriente de salida, se realiza aplicando la condición termodinámica de que el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema reaccionante debe ser un mínimo en el estado de equilibrio químico y que el equilibrio de fases se alcanza con un cambio mínimo en el cambio de energía libre de Gibbs entre las fases. Lo anterior hace que no sea completamente necesaria la especificación de la estequiometría de la reacción para la determinación del mínimo de energía libre de Gibbs para el cálculo de las respectivas composiciones en el estado de equilibrio.

3. PROCESO DE ESTERIFICACIÓN En esta simulación se mezclarán dos corrientes: una de ácido acético puro con un flujo de 1000 kmol/h a 30°C y 1 bar de presión con otra de alcohol etílico puro con un flujo de 1000 kmol/h a la misma temperatura y presión que la corriente de ácido acético. La mezcla resultante se alimentará a un reactor de equilibrio y a un reactor de Gibbs a las mismas condiciones de 150 °C y 1 bar de presión para comparar los resultados de las composiciones en el estado de equilibrio arrojados por cada uno de los dos reactores anteriores. Se hará uso del módulo duplicador disponible en el simulador Aspen Plus que se alimenta de una corriente y genera dos corrientes con las mismas especificaciones de la corriente de entrada. La reacción que tiene lugar en cada reactor es la siguiente:

𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 Ácido Acético

+ 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 ⇌ 𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂𝑂 − 𝐶𝐻3 Etanol

+

𝐻2 𝑂

Acetato de etilo

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

UNIQUAC

Componentes:

Ácido acético, etanol, acetato de etilo y agua

Unidades:

Sistema SI

Reacción:

Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 + 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ⇌ 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑜 + 𝐴𝑔𝑢𝑎

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque REquil (Reactor de equilibrio) y nómbrelo como R-101 y seleccione e instale el bloque RGibbs (Reactor de Gibbs) y nómbrelo como R-102. 5.2. Presione la pestaña Manipulators de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Dupl y nómbrelo como X-101 5.3. Presione la pestaña Mixers/Splitters de la librería de modelos, seleccione e instale el módulo Mixer y nómbrelo como M-101

5.4. Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1.

Figura 1. Reactor de Equilibrio (R-101) – Reactor de Gibbs (R-102) 5.5. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor tubular” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 5.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes isopropilalcohol, acetona, hidrógeno y agua como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Componentes de la reacción

5.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico UNIQUAC en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 5.8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se despliega, entonces, la carpeta Streams del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a las especificaciones de la corriente de entrada ACETICO según las especificaciones en el planteamiento del proceso. Observe la Figura 3. En forma similar se introducen las especificaciones de la corriente ETANOL como se observan en la Figura 4.

Figura 3. Especificaciones de la corriente ACETICO

Figura 4. Especificaciones de la corriente ETANOL

5.9. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se digita una caída de presión de cero y una temperatura de 150 °C. Observe la Figura 5.

Figura 5. Especificaciones en el reactor de equilibrio R-101

5.10. Presione la pestaña Reactions, a continuación presione el botón New para ingresar la reacción de esterificación entre el ácido acético y el etanol como lo muestra la Figura 6. Presione el botón Close y el reactor R-101 queda completamente especificado

Figura 6. Estequiometría de la reacción de esterificación

5.11. Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la ventana de especificaciones del reactor de Gibbs R-102. Se especifica una caída de presión de cero, una temperatura de 150 °C y en el cuadro Calculation options se selecciona la opción Calculate phase equilibrium and Chemical equilibrium. El conjunto de

reacciones R-1 creado anteriormente se observa disponible en el cuadro izquierdo de la ventana Reactions. Seleccione el conjunto de reacciones R-1 presionando el botón que muestra un ángulo con vértice hacia la derecha y se observará que el conjunto R-1 ha sido trasladado al cuadro titulado Selected reaction sets. Observe la Figura 7.

Figura 7. Especificaciones del reactor de Gibbs R-102

5.12. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Diagrama de flujo final del proceso

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del reactor de equilibrio R-101 y del reactor de Gibbs R-102. Observe la Figura 9.

Figura 9. Resultados de las especificaciones de las corrientes

Observando, por ejemplo, los flujos másicos de la corriente 6 (salida del reactor de equilibrio) y de la corriente 8 (salida del reactor de Gibbs) se nota que son completamente iguales, lo que dice que los resultados obtenidos para el estado de equilibrio es igual en cada uno de los reactores. Igual observación se muestra para el conjunto de propiedades mostradas Para observar los valores de las fracciones molares de los componentes en el estado de equilibrio arrojados por cada uno de los reactores se procede a agregar una nueva hoja de resultados siguiendo en orden así: Haga un clic derecho sobre la pestaña denominada Default para desplegar un pequeño menú contextual que muestra como opción activa Add para añadir una nueva hoja. Se deja el nombre desplegado por defecto (Sheet 1) y al presionar el botón OK se ha añadido una nueva hoja con las mismas especificaciones de la hoja Default. Haciendo un clic derecho sobre la pestaña Sheet 1 se despliega un pequeño menú contextual y se selecciona la opción Edit New para desplegar la ventana Stream Summary Edit View Wizard. Seleccione las corrientes 6 y 8 como se observa la Figura 10.

Figura 10. Selección de corrientes para la nueva hoja Sheet 1

Presione, ahora, la pestaña Property Selection y seleccione la propiedad Component Mole Fraction y elimine la propiedad Mole Flow. Observe Figura 11.

Figura 11. Propiedades de las corrientes de salida de los reactores

Se observa en la hoja Sheet 1 que las fracciones molares de los componentes en la corriente de salida de cada uno de los dos reactores son iguales.

11. OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar reacciones estequiométricas y de equilibrio. 1.2. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco

2. INTRODUCCIÓN Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores estequiométricos en muchos procesos industriales y, además, permiten la realización de cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos. Para una reacción sencilla del tipo 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 ↔ 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷

La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación

(𝑓𝐶 )𝑐 (𝑓𝐷 )𝑑 ∆𝐺𝑟𝑥𝑛 (𝑇) = 𝐾 = 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝑎 𝑏 (𝑓𝐴 ) (𝑓𝐵 ) 𝑅𝑇

Siendo fi, la fugacidad del componente i y para la anterior reacción, el cambio de energía libre de Gibbs se calcula por la ecuación

∆𝐺𝑟𝑥𝑛 = (𝐶∆𝐺𝑓,𝐶 + 𝑑∆𝐺𝑓,𝐷 ) − (𝑎∆𝐺𝑓,𝐴 + ∆𝐺𝑓,𝐵 )

Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos de la presión total P y de la composición yi de los componentes de la mezcla reaccionante en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación

𝐾𝑃 (𝑎+𝑏−𝑐−𝑑) =

(𝑦𝐶 )𝑐 (𝑦𝐷 )𝑑 (𝑦𝐴 )𝑎 (𝑦𝐵 )𝑏

3. PROCESO ESTUDIADO La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para una planta de amoníaco es modelada usando tres reacciones estequiométricas y una reacción de equilibrio. En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones estequiométricas y equilibrio no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de tipo estequiométrico de nombre R-101 y otro de equilibrio denominado R-102. En esta simulación, un gas natural de 100 % de composición en metano se alimenta a un primer reactor (Reactor Reformador) de tipo estequiométrico R-101 con un flujo de 200 lbmol/h a 700 °F y 500 psia para que reaccione con vapor de agua completamente puro que se carga al reactor con un flujo de 520 lbmol/h a 475 °F y 500 psia. Se llevan a cabo las siguientes dos reacciones que se aprovechan como la fuente del hidrógeno que se requiere para la fabricación del gas de síntesis.

𝑅𝑥𝑛 − 1: 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂 + 3𝐻2 𝑅𝑥𝑛 − 2: 𝐶𝐻4 + 2𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 4𝐻2

En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn2 es del 30 % y en el reactor se alcanza una temperatura de 1700 °F y no hay caída de presión. La mezcla de vapores que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor (Reactor Combustor) de tipo conversión R-101 donde además de las dos reacciones anteriores de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de combustión del metano es la siguiente:

𝑅𝑥𝑛 − 3: 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂

El aire es añadido al reactor a 475 °F y 500 psia y con un flujo controlado de 520 lbmol/h de tal manera que se alcance la relación deseada H2 / N2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La reacción tiene una conversión de metano del 30 %. La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consuma. El vapor de agua se alimenta con un flujo de 200 lbmol/h, una temperatura de 475 °F y una presión de 500 psia El tercer reactor R-103 es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece a 500 psia entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción

𝑅𝑥𝑛 − 4: 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2

En los últimos dos reactores R-104 y R-105 se lleva a cabo la reacción de equilibrio anterior o Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores de 850 °F y 750 °F, respectivamente, para alcanzar una mezcla satisfactoria de hidrógeno - nitrógeno.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

Peng - Robinson

Componentes:

Metano, agua, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno

Unidades:

Sistema ENG

Reacciones:

𝑅𝑥𝑛 − 1: 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂 + 3𝐻2 𝑅𝑥𝑛 − 2: 𝐶𝐻4 + 2𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑅𝑥𝑛 − 3: 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 𝑅𝑥𝑛 − 4: 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RStoic (Reactor de conversión) y nómbrelo como R-101. 5.2. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Gas de síntesis” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 5.3. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Componentes del proceso

5.4. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico PENG - ROBINSON en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 5.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta

Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican la corriente de entrada (METANO y VAPOR) y salida (HIDROGEN) de materia al bloque R-101. Observe la Figura 2.

Figura 2. Reactor estequiométrico R-101

5.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente METANO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Especificaciones de la corriente METANO

En la Figura 4 se muestran las especificaciones digitadas, en forma similar, para la corriente VAPOR.

Figura 4. Especificaciones de la corriente VAPOR

REACTOR REFORMADOR En este reactor se llevan a cabo dos reacciones de conversión entre metano y vapor de agua que se aprovechan como la fuente del hidrógeno que se requiere para la fabricación del gas de síntesis. 5.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) dentro del cuadro titulado Operating conditions (Condiciones de operación) se digita una presión de 500 psia y una temperatura de 1700 °F. Observe la Figura 5.

Figura 5. Especificaciones de presión y temperatura en el R-101

5.8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la página correspondiente a la pestaña Reactions. Se presiona el botón New y se despliega la

ventana donde se digita la estequiometría de la reacción de conversión Rxn–1 y la fracción de conversión de 0.4 con respecto al componente metano. Observe la Figura 6a. Al presionar el botón Close se presiona nuevamente el botón New y se digita la estequiometría y la fracción de conversión de 0.3 de la reacción Rxn-2. Observe la Figura 6b.

(a) (b) Figura 6. Reacciones de conversión (a) Rxn-1 y (b) Rxn-2

5.9. Presione el botón Automatic run (circulo verde colocado en la barra de herramientas del simulador y a continuación presione el botón Next. Se despliega, entonces, una ventana titulada Simulation Complete que muestra seleccionada, por defecto, la opción Display Run-Status results from. Presione el botón OK y se obtendrá que la simulación del reactor estequiométrico ha convergido correctamente.

REACTOR DE COMBUSTIÓN El segundo reactor estequiométrico es el de Combustión que se alimenta con el producto del Reformador y dos corrientes adicionales de aire y vapor de agua. El aire es la fuente del nitrógeno para la relación de H2 / N2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina mediante su reacción con el vapor que entra. 5.10. Despliegue el Data Browser y seleccione la opción GLOBAL que se encuentra dentro de la carpeta Section, que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet. En la ventana desplegada a la derecha, seleccione un reactor estequiométrico (Módulo RStoic), nómbrelo como R-102 y conéctelo con las corrientes de entrada HIDROGEN, VAPOR1 y AIRE, con la corriente de salida NITROGEN y con una corriente de entrada de calor Q. Observe la Figura 7.

Figura 7. Reactores estequiométricos R-101 y R-102

5.11. Presione el botón Next y se desplegará la carpeta Streams dentro de la corriente AIRE. Especifique una temperatura de 475 °F, una presión de 500 psia, un flujo de 180 lbmol/h y composiciones en fracción mol de 0.8 para el nitrógeno y 0.2 para el oxígeno. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones de la corriente AIRE

5.12. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará hasta la corriente VAPOR1. Especifique a la derecha una temperatura de 475 °F, una presión de 500 psia, un flujo de 200 lbmol/h y una fracción mol de agua de 1.0. 5.13. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará hasta la corriente de calor Q. Especifique a la derecha un flujo calórico de cero. 5.14. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará hasta el reactor R-102. En la ventana desplegada a la derecha (Specifications) dentro del cuadro titulado Operating conditions (Condiciones de operación) se digita una presión de 500 psia. (La otra especificación requerida es el flujo calórico igual a cero).

5.15. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará hasta la pestaña Reactions del reactor R-102. En la ventana desplegada a la derecha presione el botón New para digitar las reacciones mostradas en las Figuras 6a y 6b con conversiones de 40% y 30%, respectivamente. Añada la reacción de combustión del metano con el oxígeno del aire con una conversión del 30% como se observa en la Figura 9.

Figura 9. Reacción de combustión del metano en el reactor R-102

5.16. Al presionar el botón Next localizado en la parte inferior de la ventana mostrada en la Figura 9 se deja descubierta la ventana de la pestaña Reactions donde se pueden observar las reacciones químicas digitadas y que se realizan en el reactor R-102. Observe Figura 10.

Figura 10. Reacciones en el reactor R-102

5.17. Presione el botón Next y se desplegará, entonces, una ventana titulada Simulation Complete que muestra seleccionada, por defecto, la opción Display Run-

Status results from. Presione el botón OK y se obtendrá que la simulación de los dos reactores estequiométricos ha convergido correctamente.

REACTORES DE SÍNTESIS Los tres reactores de síntesis que siguen a continuación son reactores donde se simula la reacción de equilibrio entre el monóxido de carbono y el agua que no se puede simular en un reactor de conversión. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de reacciones dentro de un reactor.

REACTOR DE EQUILIBRIO R-103 5.18. Despliegue el Data Browser y seleccione la opción GLOBAL que se encuentra dentro de la carpeta Section, que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet. En la ventana desplegada a la derecha, seleccione un reactor estequiométrico (Módulo REquil), nómbrelo como R-103 y conéctelo con la corriente de entrada NITROGEN y con las corrientes de salida VAPOR3 y LIQUID3 y con una corriente de entrada de calor Q. Observe la Figura 11.

Figura 11. Reactores estequiométricos R-101, R-102 y de equilibrio R-103

5.19. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana donde especificar que el flujo calórico de la corriente Q3 es igual a cero. 5.20. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana donde especificar el reactor R-103. En la ventana correspondiente a la pestaña Specifications digite una presión de 500 psia.

5.21. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana correspondiente a la pestaña Reactions. Digite la reacción de equilibrio entre el monóxido de carbono y el agua como se observa en la Figura 12. Seleccione la opción Temperature approach y pruebe con un valor de 1 °F.

Figura 12. Reacción de equilibrio 5.22. Al presionar el botón Next y se desplegará, entonces, una ventana titulada Simulation Complete que muestra seleccionada, por defecto, la opción Display RunStatus results from. Presione el botón OK y se obtendrá que la simulación de los tres reactores ha convergido correctamente.

REACTOR DE EQUILIBRIO R-104 5.23. Despliegue el Data Browser y seleccione la opción GLOBAL que se encuentra dentro de la carpeta Section, que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet. En la ventana desplegada a la derecha, seleccione un reactor estequiométrico (Módulo REquil), nómbrelo como R-104 y conéctelo con la corriente de entrada VAPOR3 y con las corrientes de salida VAPOR4 y LIQUID4 Observe la Figura 13.

Figura 13. Reactores R-101, R-102, R-103 y R-104

5.24. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana donde especificar el reactor R-104. En la ventana correspondiente a la pestaña Specifications digite una presión de 500 psia y una temperatura de 850°F. 5.25. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana correspondiente a la pestaña Reactions. Digite la reacción de equilibrio entre el monóxido de carbono y el agua como se observa en la Figura 12. Seleccione la opción Temperature approach y pruebe con un valor de 1 °F. 5.26. Al presionar el botón Next y se desplegará, entonces, una ventana titulada Simulation Complete que muestra seleccionada, por defecto, la opción Display RunStatus results from. Presione el botón OK y se obtendrá que la simulación de los cuatro reactores ha convergido correctamente.

REACTOR DE EQUILIBRIO R-105 5.27. Despliegue el Data Browser y seleccione la opción GLOBAL que se encuentra dentro de la carpeta Section, que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Flowsheet. En la ventana desplegada a la derecha, seleccione un reactor estequiométrico (Módulo REquil), nómbrelo como R-105 y conéctelo con la corriente de entrada VAPOR4 y con las corrientes de salida GSINTES y LIQUID4 Observe la Figura 14.

Figura 14. Reactores R-101, R-102, R-103, R-104 y R105

5.28. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana donde especificar el reactor R-104. En la ventana correspondiente a la pestaña Specifications digite una presión de 500 psia y una temperatura de 750°F.

5.29. Presione el botón Next y el simulador lo desplazará a la ventana correspondiente a la pestaña Reactions. Digite la reacción de equilibrio entre el monóxido de carbono y el agua como se observa en la Figura 12. Seleccione la opción Temperature approach y pruebe con un valor de 1 °F. 5.30. Al presionar el botón Next y se desplegará, entonces, una ventana titulada Simulation Complete que muestra seleccionada, por defecto, la opción Display RunStatus results from. Presione el botón OK y se obtendrá que la simulación de los cinco reactores ha convergido correctamente.

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO El diagrama de flujo final de la simulación de los cinco reactores se muestra en la Figura 15.

Figura.15 Diagrama de flujo del proceso.

Presione el botón Check results que se encuentra en la barra de herramientas para desplegar la ventana de resultados de la simulación. Despliegue la carpeta Results Summary, a continuación seleccione la opción Custom Stream Summary y se debe observar a la derecha las especificaciones o propiedades de las corrientes en todo el proceso. Observe la Figura 16. La corriente producto que corresponde al gas de síntesis y que se denomina GSISTES muestra un contenido de hidrógeno y nitrógeno en una relación de aproximadamente 5. Para un propósito de usar dicha mezcla gaseosa para la producción de amoníaco se tiene un exceso de hidrógeno con respecto a la necesidad estequiométrica para la reacción con el hidrógeno.

Figura 16. Tabla de corrientes.

Los flujos y otras especificaciones fijadas para la simulación hacen que la mezcla gas de síntesis no contenga metano ni oxígeno pero si una muestra un considerable contenido en vapor de agua.

7. CASO DE ESTUDIO Se deja como trabajo para el usuario el cambio de algunas especificaciones para lograr que en el gas de síntesis que se obtenga la relación de nitrógeno a hidrógeno sea de 3 a 1, que es la relación estequiométrica para la síntesis de amoníaco.

12. REACTOR CSTR 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar los parámetros cinéticos de una reacción. 1.2. Simular un reactor tipo tanque agitado (CSTR) para la producción de Estireno a partir de Etilbenceno.

2. INTRODUCCIÓN La manufactura del Estireno se realiza principalmente por el método de la deshidrogenación del etilbenceno. Este proceso es simple en concepto:

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝐻2 𝐶𝐻3 Etilbenceno

→

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻2 Estireno

+

𝐻2

Hidrógeno

La deshidrogenación del etilbenceno a Estireno toma lugar con un catalizador de óxido de hierro y otro de óxido de potasio, en un reactor de lecho fijo a una temperatura entre 550 – 680 °C en presencia de vapor y a baja presión (0.41 atm), dado que bajas presiones favorecen el avance de la reacción. Los principales subproductos que se obtienen en el reactor de deshidrogenación son tolueno y benceno. El etilbenceno y el reciclado de etilbenceno son combinados con vapor y precalentado por intercambio de calor con el producto a la salida del reactor. Antes de entrar al reactor se mezcla con más vapor que sale de un sobre calentador que eleva la temperatura del vapor a 800°C. Esta mezcla es alimentada a los reactores donde se produce la reacción. El efluente del reactor pasa por un intercambiador de calor donde es refrigerado. El condensado es separado en gas de venteo (mayormente hidrógeno), agua de proceso y fase orgánica.

3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de Etilbenceno puro con un flujo de 100 kmol/h a una temperatura de 800 °C y una presión de 50 kPa se alimenta a un reactor CSTR de 10 m 3 de volumen, donde ocurre una reacción de deshidrogenación transformándose en estireno. Se considera que en el reactor no hay caída de presión y que en el reactor se alcanza una temperatura de 1600 °C lo que hace que la reacción ocurra en fase vapor. Se quiere simular la anterior reacción dentro de un reactor de mezcla completa y analizar los resultados mostrados por el simulador

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

UNIQUAC

Componentes:

Etilbenceno, Estireno e Hidrógeno

Unidades:

Sistema SI

Reacción:

𝐸𝑡𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜

→

𝐸𝑠𝑡𝑖𝑟𝑒𝑛𝑜

Cinética de la reacción:

𝑟𝐸𝐵 = −𝑘1 𝑃𝐸𝐵

Constante de velocidad de reacción:

𝑘1 = −50000

𝑚𝑜𝑙 𝐸𝐵 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜−𝑘𝑃𝑎−𝑠

+

𝑒𝑥𝑝 [−

𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜

100𝑘𝑐𝑎𝑙 ⁄𝑚𝑜𝑙 (1.987

𝑐𝑎𝑙 )𝑇 𝑚𝑜𝑙−𝐾

]

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RCSTR (Reactor de mezcla completa) y nómbrelo como R-101. 5.2. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor de mezcla completa” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 5.3. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes Etilbenceno, estireno e hidrógeno como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Componentes de la reacción

5.4. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico UNIQUAC en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 5.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican la corriente de entrada (ALIMENTO) y salida (PRODUCTO) de materia al bloque R-101. Observe la Figura 2.

Figura 2. Conexiones al reactor R-101

El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de Flujo – Reactor de mezcla completa R-101

5.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la

derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

5.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se digita que la presión en el reactor es de 50 kPa, la temperatura es de 1600 °C y el volumen del reactor es 10 m3. Observe la Figura 5.

Figura 5. Especificación de temperatura, presión y volumen en el reactor

5.8. Presione la pestaña Reactions, presione con el clic derecho del mouse dentro del cuadro titulado Available reaction sets para desplegar una pequeña ventana titulada

New Reaction Set donde introducir y nombrar un nuevo conjunto de reacciones. Asigne el nombre R-1 al nuevo conjunto de reacciones y presione el botón Aceptar. Observe Figura 6.

Figura 6. Nombre de un nuevo conjunto de reacciones

5.9. Después de presionar Aceptar en la ventana anterior (Figura 6) se despliega una pequeña ventana titulada Enter type donde se selecciona el tipo de reacción de acuerdo a una lista que se observa en el botón desplegable. Seleccione la opción POWERLAW y presione el botón OK. Observe la Figura 7.

Figura 7. Selección del tipo de reacción

5.10. El conjunto de reacciones R-1 creado anteriormente se observa disponible en el cuadro izquierdo de la ventana Reactions. Seleccione el conjunto de reacciones R1 presionando el botón que muestra un ángulo con vértice hacia la derecha y se observará que el conjunto R-1 ha sido trasladado al cuadro titulado Selected reaction sets. Observe la Figura 8.

Figura 8. Selección del conjunto de reacciones

5.11. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Reactions situada dentro de otra carpeta también denominada Reactions. Seleccione la reacción R-1 y observe que en la ventana desplegada a la derecha aparece por defecto seleccionada la pestaña Stoichiometry. Presione el botón New para desplegar la ventana titulada Edit Reaction donde se digitan los valores positivos de los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y los productos y a la derecha de éstos se digitan los valores de los exponentes de cada uno de ellos en la ecuación de velocidad de reacción. Observe en la parte superior derecha el cuadro titulado Reaction type en donde se selecciona la opción Kinetic (es decir, reacción cinética). Observe la Figura 9.

Figura 9. Estequiometría de la reacción

5.12. Presione el botón Next incluido en la parte inferior de la ventana Edit Reaction (Figura 9) y Aspen desplegará la ventana correspondiente a la pestaña Kinetic donde se introducen las especificaciones relacionadas con la ecuación cinética de la reacción química que se observa en la parte superior de la ventana. En el cuadro Reacting phase seleccione la opción Vapor (Fase en que se lleva a cabo la reacción), en el cuadro Rate basis seleccione la opción Reac(vol) (Reacción no catalítica) y en el cuadro Power Law kinetic expression introduzca los valores del factor pre exponencial (k), el exponente de la temperatura en la ecuación de Arrhenius sobre la constante de velocidad de reacción (cero, por defecto) y la energía de activación (E) de acuerdo a la ecuación de velocidad de reacción expuesta en el paquete fluido. En el cuadro (Ci) basis seleccione la opción Partial pressure (ecuación de velocidad de reacción en función de la presión parcial del Etilbenceno). Observe la Figura 10 y note que en la parte derecha se encuentra el botón Edit reactions el cual se presiona en caso de necesidad de revisar la edición de la reacción.

Figura 10. Especificaciones cinéticas de la reacción

5.13. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del reactor de mezcla completa R-101. El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus ahora muestra las banderas con las temperaturas y las presiones en cada una de las corrientes conectadas al reactor de mezcla completa. Observe la Figura 11.

Figura 11. Diagrama de Flujo – Reactor CSTR R-101

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check results que se encuentra en la barra de herramientas para desplegar la ventana de resultados de la simulación. Despliegue la carpeta Blocks, a continuación la

carpeta R-101 y seleccione la opción Stream results y se debe observar a la derecha las especificaciones o propiedades de las corrientes conectadas al reactor como se observa en la Figura 12.

Figura 12. Resultados de las especificaciones de las corrientes

Observando, por ejemplo, los flujos de Etilbenceno en la corriente de alimento (0.0277777 kmol/s) y en la corriente de producto (0.0124795 kmol/s) se puede calcular la conversión de Etilbenceno que es aproximadamente de 0.55. Al presionar el botón Stream Table que se observa en la parte superior derecha se anexa al diagrama de flujo una tabla de corrientes con las especificaciones obtenidas como resultados de la simulación como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Diagrama de flujo del reactor CSTR con tabla de corrientes anexa

Si ahora se selecciona la opción Results de la carpeta R-101 incluida dentro de la carpeta Blocks, entonces se despliega a la derecha una ventana que muestra los resultados de los cálculos realizados con respecto al reactor RCSTR. Observe Figura 14.

Figura 14. Resultados del reactor CSTR

Se observa la carga calórica neta, el volumen del reactor y el tiempo de residencia dentro de la página que corresponde a la pestaña Summary. Al presionar la pestaña Balance, se despliega una ventana que muestra el balance global de materia y el balance de energía a través del reactor. Observe Figura 15.

Figura 15. Resultados de los balances de masa y energía en el reactor CSTR

7. CASOS DE ESTUDIO ¿Cómo se afecta la conversión? 3. Incrementando el volumen del reactor 4. Alterando la presión y temperatura de operación del reactor 8. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Para realizar un análisis de sensibilidad en Aspen Plus se dispone de la opción contenida en el Data Browser dentro de la carpeta Model Analysis Tools. A continuación se explica el procedimiento a seguir para analizar la sensibilidad del flujo de estireno en la corriente PRODUCTO con respecto a la temperatura de operación en el reactor 1. Después de desplegar la carpeta Model Analysis Tools seleccione la carpeta Sensitivity y note que se despliega, a la derecha, una ventana titulada Object manager. Presione el botón New que se encuentra activo en la parte inferior y se desplegará una pequeña ventana titulada Create new ID que es el nombre que identifica el proyecto de análisis y que Aspen llama, por defecto, S-1. Observe la Figura 16.

Figura 16. Creación de un nuevo ID para análisis de sensibilidad

2. Al presionar el botón OK se despliega la ventana para ingresar los datos requeridos para que Aspen Plus pueda realizar el análisis. Se observan tres pestañas con distintivos rojos indicando el requerimiento de la información y que se denominan Define, Vary y Tabulate. En la pestaña Define se definen las variables que se quieren analizar, en la pestaña Vary se especifican las variables que se han de manipular y en la pestaña Tabulate se especifica el intervalo de valores de la variable manipulada. Desplegada la ventana correspondiente a la pestaña Define presione el botón New y se desplegará una pequeña ventana titulada Create new variable donde se asigna un

símbolo a la variable que posteriormente se ha de definir para el análisis de sensibilidad y que en nuestro caso es F. Observe Figura 17.

Figura 17. Creación de una nueva variable

3. Al presionar el botón OK se despliega la ventana titulada Variable Definition donde se especifica la variable objeto de análisis (Observe Figura 18). En el cuadro titulado Category se selecciona la opción Streams y en el cuadro Reference se selecciona la opción Mole - Flow en el cuadro Type. Con la anterior selección se activa el cuadro desplegable Stream donde se selecciona la corriente objeto que en este caso es PRODUCTO y se activa el cuadro desplegable Component donde se selecciona el componente ESTIRENO.

Figura 18. Definición de la variable para el análisis de sensibilidad 4. Al presionar el botón Close y presionar la pestaña Vary se despliega la ventana donde se selecciona la variable a manipular. En el cuadro Type ubicado dentro del cuadro

titulado Manipulated variable seleccione la opción Block-Var con el cual se despliegan otros cuadros para escoger el bloque R-101, la variable a manipular TEMP (Temperatura). En el cuadro colocado a la derecha se selecciona la opción Overall range introduzca como límite inferior (Lower) el valor de 1200 K, como límite superior (Upper) el valor de 1800 K y como incremento (Incr) el valor de 50 K. Observe la Figura 19.

Figura 19. Especificación de la variable manipulada

5. Presione la pestaña Tabulate y llénela como se muestra en la Figura 20. En la columna 1 de una tabla se lista la variable temperatura y en la columna 2 se lista el flujo de estireno en la corriente PRODUCTO.

Figura 20. Organización de la tabulación 6. Haga correr la simulación y despliegue la página Results dentro de la carpeta S-1 localizada dentro de la carpeta Sensitivity y observará la tabla con los resultados

arrojados por el simulador sobre la sensibilidad del flujo de estireno en la corriente PRODUCTO con respecto a un cambio en la temperatura de operación en el reactor. Observe la Figura 21

Figura 21. Sensibilidad del flujo de estireno con respecto a la temperatura

Figura 22. Representación gráfica del flujo de estireno en función de la temperatura

7. Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard para representar en forma gráfica el resultado arrojado por el simulador sobre la sensibilidad entre el flujo de estireno en la corriente PRODUCTO y la temperatura de operación en el reactor 8. Siga las instrucciones del asistente desplegado y obtenga el perfil gráfico del flujo con respecto a la temperatura como se muestra en la Figura 22.

El gráfico permite ver que las conversiones de Etilbenceno en estireno se consiguen a temperaturas altas mayores que 1500 K, y que entre mas se incremente la temperatura el flujo de estireno se aumenta rápidamente.

13. REACTOR PFR 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso de producción de acetona a partir de la deshidrogenación de alcohol isopropílico. 1.2. Simular un reactor tubular con transferencia de calor para la producción de acetona a partir de alcohol isopropílico.

2. INTRODUCCIÓN La acetona se fabrica principalmente mediante los procesos de peroxidación del cumeno o la deshidrogenación del alcohol isopropílico (2 – propanol). En el primer proceso, que es el utilizado en mayor proporción, el cumeno se oxida hasta hidroperóxido, el cual se rompe para producir acetona y fenol. En este proceso se producen grandes cantidades de benceno como subproducto. En el segundo proceso, que es mucho más costoso, el alcohol isopropílico se deshidrogena catalíticamente para obtener acetona e hidrógeno. En muchos países como Rusia, Egipto, Brasil e India, se utiliza la fermentación de almidón de maíz y melazas para la producción de acetona. Algunas compañías recuperan la acetona como un subproducto de otros procesos industriales, como la producción de ácido acético y de etanol.

3. PROCESO DE DESHIDROGENACIÓN DEL ALCOHOL ISOPROPÍLICO En un proceso típico, una mezcla azeotrópica de agua y 2 – propanol (88 % en peso) se vaporiza a una temperatura de 180 °C y una presión de 216 kPa y se alimenta con un flujo de 250 kmol/h a un lecho catalítico en un reactor especialmente diseñado para permitir una transferencia de calor eficiente. El reactor está compuesto de 200 tubos de acero de 3 m de longitud y 0.025 m de diámetro calentados con aceite, vapor a alta presión, gases calientes o sales fundidas. La temperatura de operación en el reactor es 320 °C y se considera que no hay caída de presión a través de él. La reacción que tiene lugar en el reactor es la siguiente:

𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻𝑂𝐻 − 𝐶𝐻3 Alcohol isopropílico La cinética de la reacción está dada por:

→

𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂 − 𝐶𝐻3 Acetona

−𝑟𝐼𝑃𝐴 = 𝑘1 𝐶𝐼𝑃𝐴

𝑚𝑜𝑙 𝐼𝑃𝐴 𝑚3 𝑐𝑎𝑡∗𝑠𝑒𝑔

+

𝐻2 Hidrógeno

𝑘1 = 3.51 ∗ 105 𝑒𝑥𝑝 [− 𝐶𝐼𝑃𝐴 =

72380 𝑅𝑇

]

𝑚3 𝑔𝑎𝑠 𝑚3 𝑐𝑎𝑡∗𝑠𝑒𝑔

𝑚𝑜𝑙 𝐼𝑃𝐴 𝑚3 𝑔𝑎𝑠

La energía de activación esta en unidades de kJ/kmol.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

UNIQUAC

Componentes:

Alcohol isopropílico, acetona, hidrógeno y agua

Unidades:

Sistema SI

Reacción:

𝐴𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 𝑖𝑠𝑜𝑝𝑟𝑜𝑝í𝑙𝑖𝑐𝑜 →

Cinética de la reacción: Constante de velocidad de reacción:

𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 + 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜

−𝑟𝐼𝑃𝐴 = 𝑘1 𝐶𝐼𝑃𝐴

𝑚𝑜𝑙 𝐼𝑃𝐴 𝑚3 𝑐𝑎𝑡∗𝑠𝑒𝑔

𝑘1 = 3.51 ∗ 105 𝑒𝑥𝑝 [−

72380 𝑅𝑇

]

𝑚3 𝑔𝑎𝑠 𝑚3 𝑐𝑎𝑡∗𝑠𝑒𝑔

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RPlug (Reactor plug flow, PFR) y nómbrelo como R-101. 5.2. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor tubular” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 5.3. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes isopropilalcohol, acetona, hidrógeno y agua como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Componentes de la reacción 5.4. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico UNIQUAC en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 5.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican la corriente de entrada (ALIMENTO) y salida (PRODUCTO) de materia al bloque R-101. Observe la Figura 2.

Figura 2. Conexiones al reactor R-101

El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de Flujo – Reactor tubular R-101

5.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

5.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se selecciona en el cuadro Reactor type (tipo de reactor) la opción Reactor with specified temperatura (Reactor con temperatura especificada). En el cuadro Operating condition (Condición de operación) se selecciona la opción Constant at specified temperatura (Temperatura especificada constante) y se digita la temperatura de 320 °C del planteamiento del problema. Observe Figura 5. 5.8. Presione la pestaña Configuration y en la ventana desplegada seleccione el cuadro de verificación titulado Multitube reactor. En el cuadro Number of tubes digite el número 200. En el cuadro Tube dimensions digite 3 m en el cuadro titulado Length (longitud) y digite 0.025 m en el cuadro con nombre Diameter (diámetro). Observe la Figura 6.

Figura 5. Especificaciones del reactor tubular R-101

Figura 6. Configuración del reactor tubular R-101

5.9. Presione la pestaña Reactions, presione con el clic derecho del mouse dentro del cuadro titulado Available reaction sets para desplegar una pequeña ventana titulada New Reaction Set donde introducir y nombrar un nuevo conjunto de reacciones. Asigne el nombre R-1 al nuevo conjunto de reacciones y presione el botón Aceptar. Observe Figura 7.

Figura 7. Nombre de un nuevo conjunto de reacciones

5.10. Después de presionar Aceptar en la ventana anterior (Figura 7) se despliega una pequeña ventana titulada Enter type donde se selecciona el tipo de reacción de

acuerdo a una lista que se observa en el botón desplegable. Seleccione la opción POWERLAW y presione el botón OK. Observe la Figura 8.

Figura 8. Selección del tipo de reacción 5.11. El conjunto de reacciones R-1 creado anteriormente se observa disponible en el cuadro izquierdo de la ventana Reactions. Seleccione el conjunto de reacciones R1 presionando el botón que muestra un ángulo con vértice hacia la derecha y se observará que el conjunto R-1 ha sido trasladado al cuadro titulado Selected reaction sets. Observe la Figura 9.

Figura 9. Selección del conjunto de reacciones

5.12. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Reactions situada dentro de otra carpeta también denominada Reactions. Seleccione la reacción R-1 y observe que en la ventana desplegada a la derecha aparece por defecto seleccionada la pestaña Stoichiometry. Presione el botón New para desplegar la ventana titulada Edit Reaction donde se digitan los valores positivos de los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y los productos y a la derecha de éstos se digitan los valores de los exponentes de cada uno de ellos en la ecuación de velocidad de reacción. Observe en la parte superior derecha el cuadro titulado Reaction type en donde se selecciona la opción Kinetic (es decir, reacción cinética). Observe la Figura 10.

Figura 10. Edición de la estequiometría de la reacción

5.13. Presione el botón Next incluido en la parte inferior de la ventana Edit Reaction (Figura 10) y Aspen desplegará la ventana correspondiente a la pestaña Kinetic donde se introducen las especificaciones relacionadas con la ecuación cinética de la reacción química que se observa en la parte superior de la ventana. En el cuadro Reacting phase seleccione la opción Vapor (Fase en que se lleva a cabo la reacción), en el cuadro Rate basis seleccione la opción Reac(vol) (Reacción no catalítica) y en el cuadro Power Law kinetic expression introduzca los valores del factor pre exponencial (k), el exponente de la temperatura en la ecuación de Arrhenius sobre la constante de velocidad de reacción (cero, por defecto) y la energía de activación (E) de acuerdo a la ecuación de velocidad de reacción expuesta en el paquete fluido. En el cuadro (Ci) basis seleccione la opción Molarity (ecuación de velocidad de reacción en función de concentración molar del alcohol isopropílico). Observe la Figura 11 y note que en la parte derecha se encuentra el botón Edit reactions el cual se presiona en caso de necesidad de revisar la edición de la reacción.

Figura 11. Especificaciones cinéticas de la reacción

5.14. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del reactor tubular R-101. 6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check results que se encuentra en la barra de herramientas para desplegar la ventana de resultados de la simulación. Despliegue la carpeta Blocks, a continuación la carpeta R-101 y seleccione la opción Stream results y se debe observar a la derecha las especificaciones o propiedades de las corrientes conectadas al reactor como se observa en la Figura 12.

Figura 12. Resultados de las especificaciones de las corrientes

Observando, por ejemplo, el flujo de acetona en la corriente de producto (< 0.001 kmol/s) se nota que a las condiciones simuladas la conversión de isopropanol a acetona es muy baja, lo cual hace que si se quiere aumentar la conversión sea necesario hacer algunos cambios en las condiciones de operación o en la configuración del reactor.

Al presionar el botón Stream Table que se observa en la parte superior derecha, se anexa al diagrama de flujo una tabla de corrientes con las especificaciones obtenidas como resultados de la simulación como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Diagrama de flujo del reactor PFR con tabla de corrientes anexa

Si ahora se selecciona la opción Results de la carpeta R-101 incluida dentro de la carpeta Blocks, entonces se despliega a la derecha una ventana que muestra los resultados de los cálculos realizados con respecto al reactor PFR. Observe Figura 14.

Figura 14. Resultados del reactor PFR

Se observa la carga calórica neta, las temperaturas mínima y máxima en el reactor y el tiempo de residencia dentro de la página que corresponde a la pestaña Summary. Al seleccionar la opción Profiles situada dentro de la carpeta R-101 se despliega una ventana que muestra los perfiles de corrientes de proceso. En el botón de nombre View se selecciona la opción Mass composition y se puede observar en el cuadro inferior la variación de la composición de cada una de las sustancias que intervienen en la reacción a través de toda la longitud del reactor. Observe Figura 15.

Figura 15. Perfil de composiciones a través del reactor PFR

7. CASOS DE ESTUDIO Calcule la conversión del alcohol isopropílico para los siguientes cambios 5. Incrementando la longitud de los tubos reactor 6. Aumentando temperatura de operación del reactor

14. REACTOR PFR CATALÍTICO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso de producción de ácido clorhídrico a partir de la oxidación con el oxígeno de aire del cloroformo y utilizando un reactor PFR catalítico. 1.2. Utilizar el simulador Aspen Plus para simular un reactor catalítico con una cinética de reacción ajustado al modelo de Langmuir – Hinshelwood Hougen – Watson (LLHW) 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO La oxidación catalítica del cloroformo para la producción de ácido clorhídrico se puede realizar a escala de laboratorio de acuerdo a la siguiente reacción y con un montaje como el mostrado en la Figura 1:

2 𝐶𝐻𝐶𝑙3 + 2 𝐻2 𝑂 + 𝑂2 Cloroformo

Aire

→

2 𝐶𝑂2 + 6 𝐻𝐶𝑙 Ácido clorhídrico

Figura 1. Montaje de laboratorio para la oxidación catalítica del cloroformo

La reacción se lleva a cabo en un reactor de lecho empacado de 3 cm de longitud y 0.95 cm de diámetro que contiene 5 g de un catalizador de aluminio – platino al 2 %. Aire (79 % nitrógeno y 21 % oxígeno) y agua a 25 °C y 1 atmósfera de presión se alimentan a un tanque de flasheo a 28 °C y con flujos de 4.167 x 10-6 m3/s y 5 x 10-8 kmol/s, respectivamente. El aire humidificado proveniente del tanque de flasheo se mezcla con cloroformo a 28 °C, 1

atmósfera y un flujo de 7.5 x 10-11 m3/s. La mezcla gaseosa se alimenta al reactor PFR que opera isotérmicamente a 400 °C y se asume que a través de él no hay caída de presión. La cinética de la reacción está dada por una ecuación ajustada al modelo de Langmuir – hinshelwood Hougen – Watson (LHHW) con la siguiente forma:

𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝐴 𝑟( )= 𝑠𝑒𝑔 − 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 1 + 𝐾𝑃 𝐶𝑃 + 𝐾𝐴 𝐶𝐴

Siendo el subíndice A el cloroformo y el subíndice el producto ácido clorhídrico. Las concentraciones están dadas en mol/litro. La constante de velocidad de reacción K y las constantes del equilibrio de adsorción KP y KA se calculan con la ecuación de Arrhenius de 𝐸 la forma 𝐾 = 𝐾𝑜 𝑒𝑥𝑝 (− 𝑅𝑇 ) con los siguientes valores y unidades:

Ko

A (lnKo)

E

B(E/R)

9 -1

K

0,372 x 10 s

19,73

21700

10850

KP

0,123 x 104 litro/mol

7,11

2440

1220

KA

0,587 x 104 litro/mol

8,68

5330

2665

3. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

IDEAL – Componentes ley de Henry

Componentes:

Oxígeno, nitrógeno, agua, cloroformo, ácido clorhídrico, bióxido de carbono

Unidades:

Sistema SI

Reacción:

2 𝐶𝐻𝐶𝑙3 + 2 𝐻2 𝑂 + 𝑂2

Cinética de la reacción:

𝑟(

𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑒𝑔−𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

→ )=

2 𝐶𝑂2 + 6 𝐻𝐶𝑙 𝐾𝐶𝐴

1+ 𝐾𝑃 𝐶𝑃 + 𝐾𝐴 𝐶𝐴

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 4.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Separators de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Flash2 (Separador de dos fases) y nómbrelo como V-101.

4.2. A continuación presione la pestaña Mixers/Splitters de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Mixer (Mezclador) y nómbrelo como M-101. 4.3. A continuación presione la pestaña Material Streams de la librería de modelos, instale y conecte las corrientes AIRE, AGUA, VAPOR, LIQUIDO, CLOROFOR y FEEDPFR de tal forma que resulte un diagrama de flujo como el que muestra la Figura 1. 4.4. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor catalítico” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes oxígeno, nitrógeno, agua, cloroformo, ácido clorhídrico y anhídrido carbónico como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Componentes de la reacción

4.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione en el cuadro titulado Property Method el modelo termodinámico IDEAL con componentes cuyo comportamiento se ajusta a la ley de Henry. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta

Stream del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la pestaña Specifications en donde se especifican las corrientes de entrada (AGUA, AIRE y CLOROFOR) de acuerdo a las condiciones planteadas anteriormente. Observe las Figuras 3, 4 y 5.

Figura 3. Especificaciones de la corriente AGUA

Figura 4. Especificaciones de la corriente AIRE

Figura 5. Especificaciones de la corriente CLOROFOR

4.8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. El bloque M-101 aparece completamente especificado sin caída de presión. Se selecciona el bloque V-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se selecciona en el cuadro Flash specifications la opción

Temperature y se digita a la derecha 28 °C y en el cuadro Pressure se digita el valor cero, que quiere decir que no hay caída de presión en el tanque. Observe Figura 6.

Figura 6. Especificaciones del separador de fases V-101

4.9. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. 4.10. A continuación presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RPlug (Reactor PFR, nómbrelo como R-101 y conecte las corrientes de entrada y salida con los nombres que se muestran en la Figura 7.

Figura 7. Diagrama de flujo: Separador de fases, mezclador y reactor 4.11. Despliegue el Data Browser y presione el botón Next. El árbol se despliegue en la carpeta Blocks directamente en la ventana de especificaciones del reactor R-

101. En la ventana correspondiente a la pestaña Specifications seleccione la opción Reactor with specified temperature dentro del cuadro titulado Reactor type. En el cuadro Operating condition seleccione la opción Constant at specified reactor temperatura y digite un valor de 400 °C. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones del reactor R-101

4.12. Presione Next para desplegar la ventana correspondiente a la pestaña Configuration. Digite una longitud de 3 cm y un diámetro de 0.95 cm. Observe la Figura 9.

Figura 9. Configuración del reactor R-101

4.13. Presione la pestaña Reactions, presione con el clic derecho del mouse dentro del cuadro titulado Available reaction sets para desplegar una pequeña ventana titulada New Reaction Set donde introducir y nombrar un nuevo conjunto de reacciones. Asigne el nombre R-1 al nuevo conjunto de reacciones y presione el botón Aceptar. Se despliega, entonces una pequeña ventana titulada Enter type donde se selecciona el tipo de reacción. Seleccione la opción LHHW (Langmuir Hinshelwood Hougen – Watson) y presione el botón OK. Observe la Figura 10.

Figura 10. Selección del tipo de reacción

4.14. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Reactions situada dentro de otra carpeta también denominada Reactions. Seleccione la reacción R-1 y observe que en la ventana desplegada a la derecha aparece por defecto seleccionada la pestaña Stoichiometry. Presione el botón New para desplegar la ventana titulada Edit Reaction donde se digitan los valores positivos de los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y los productos. Observe en la parte superior derecha el cuadro titulado Reaction type en donde se selecciona la opción Kinetic (es decir, reacción cinética). Observe la Figura 11.

Figura 11. Edición de la estequiometría de la reacción

4.15. Presione el botón Next incluido en la parte inferior de la ventana Edit Reaction (Figura 10) y Aspen desplegará la ventana correspondiente a la pestaña Kinetic donde se introducen las especificaciones relacionadas con la ecuación cinética de la reacción química que se observa en la parte superior de la ventana. En el cuadro Reacting phase seleccione la opción Vapor (Fase en que se lleva a cabo la reacción), en el cuadro Rate basis seleccione la opción Reac(vol) (Reacción no catalítica) y observe en el cuadro LHHW kinetic expression que se requiere la especificación de tres factores (Kinetic factor, Driving force expression y Adsorption expression) para completar la ecuación cinética que corresponde al modelo LHHW. Para especificar

el primer factor (Kinetic factor) introduzca los valores del factor pre exponencial (k = 1), el exponente de la temperatura en la ecuación de Arrhenius sobre la constante de velocidad de reacción (cero, por defecto) y la energía de activación (E = 10850) de acuerdo a la ecuación de velocidad de reacción expuesta en el paquete fluido (Ver Figura 12).

Figura 12. Especificaciones del factor cinético de la reacción

4.16. Presione el botón Driving Force colocado a la derecha para desplegar la ventana donde introducir las especificaciones que requiere el factor Driving forcé expression. Observe la Figura 13.

Figura 13. Expresión para el primer término del factor Driving Force

En el cuadro Reacting phase se selecciona la opción Vapor, en el cuadro [Ci] basis se selecciona Molarity y en el cuadro Enter Term se selecciona la opción Term 1. A continuación se digitan los exponentes de las concentraciones de cada reaccionante y cada producto en la expresión para el factor Driving force. Finalmente, en el cuadro

de abajo se digitan los valores de A, B, C y D correspondientes al logaritmo natural de la constante de velocidad de reacción para el término Driving force. Si a la ecuación de Arrhenius se le aplica logaritmo se transforma a: 𝐸 𝑅𝑇 𝐵 𝑙𝑛𝐾 = 𝐴 − 𝑇

𝑙𝑛𝐾 = 𝑙𝑛𝐾𝑜 −

𝐸

Siendo 𝐴 = 𝑙𝑛𝐾𝑜 y 𝐵 = . Aspen Plus utiliza un forma propio que incluye dos 𝑅

constantes adicionales de la forma: 𝑙𝑛𝐾 = 𝐴 −

𝐵 + 𝐶𝑙𝑛𝑇 + 𝐷𝑇 𝑇

En nuestro caso, los coeficientes C y D siempre serán iguales a cero 4.17. Al completar la especificación del término 1, se debe proceder a hacer lo mismo con el término 2. En el modelo de LLHW considerado en el planteamiento este término es cero, por lo tanto, la especificación es como se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Expresión para el segundo término del factor Driving Force

4.18. Presione el botón Close para regresar a la ventana correspondiente a la pestaña Kinetics y presione el botón Adsorption para introducir las especificaciones del factor Adsorption expression. Observe la Figura 15.

Figura 15. Especificaciones del factor Adsorption expression

4.19. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Observe Figura 16.

Figura 16. Panel de control

Se nota que el panel de control incluye una información (no es error ni advertencia) a cerca de los componentes que se comportan de acuerdo a la ley de Henry. El

diagrama de flujo final del proceso completado correctamente se muestra en la Figura 17.

Figura 17. Diagrama de flujo final del proceso

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check results que se encuentra en la barra de herramientas para desplegar la ventana de resultados de la simulación. Despliegue la carpeta Results Summary, a continuación la carpeta R-101 y seleccione la opción Stream results y se debe observar a la derecha las especificaciones o propiedades de las corrientes conectadas al reactor como se observa en la Figura 18.

Figura 18. Resultados de las especificaciones de las corrientes

Observando, por ejemplo, el flujo del cloroformo a través del reactor (corrientes FEEDPFR y PRODUCTO) se nota una considerable conversión a ácido clorhídrico. En la hoja adicionada Sheet 1 se muestran las fracciones molares de los componentes en la corriente PRODUCTO. Las cifras permiten considerar que el alto contenido de nitrógeno presente en la corriente de PRODUCTO originado en la corriente de aire utilizado como fuente de oxígeno hace que la fracción mol de ácido clorhídrico sea del valor relativamente obtenido. Un posterior tratamiento de esta mezcla será necesario para alcanzar los fraccionamientos y las purificaciones que se requieran.

15. REACTOR SEMI-BATCH 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar los parámetros cinéticos de una reacción. 1.2. Simular un reactor semi-batch para obtener Ibuprofeno.

2. INTRODUCCIÓN

El ibuprofeno es un antiinflamatorio no esteroideo (AINE), utilizado frecuentemente para el alivio sintomático del dolor de cabeza (cefalea), dolor dental (odontalgia), dolor muscular (mialgia), molestias de la menstruación (dismenorrea), dolor neurológico de carácter leve, síndrome febril y dolor tras cirugía (postquirúrgicos). El Ibuprofeno se produce a partir de la reacción de isobutilbenceno, anhídrido acético, hidrógeno y monóxido de Carbono. La reacción:

𝐶10 𝐻14 + 𝐶4 𝐻6 𝑂3 + 𝐻2 + 𝐶𝑂 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐶13 𝐻18 𝑂2

Tiene una expresión cinética de velocidad estimada con la siguiente expresión:

𝑟𝐼𝐵𝑈 = 𝑘[𝐶10 𝐻14 ]2 [𝐶4 𝐻6 𝑂3 ][𝐻2 ][𝐶𝑂]

Donde se considera que la constante de velocidad de reacción es independiente de la temperatura y tiene un valor de 𝑘 = 0,349 𝑚12 ⁄𝑚𝑜𝑙 4 − 𝑠. Al igual que muchos otros fármacos, la producción se lleva a cabo en un reactor semi-batch con un volumen de 2 m3, que se alimenta con una corriente con un flujo de 2 m3/seg que contiene isobutilbenceno y anhídrido acético en cantidades estequiométricas, a una temperatura de 410 K y una presión de 101325 N/m2. El reactor es presurizado hasta 14000 kPa con un alimento equimolar de hidrógeno y monóxido de carbono con un flujo de 0,04 Kg/s. Todos los componentes son calentados a 410 K antes de ser introducidos al sistema donde la temperatura se mantiene constante. Se quiere simular la operación de dicho reactor semi-batch y analizar los resultados obtenidos con el simulador Aspen.

3. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

Peng - Robinson

Componentes:

Isobutilbenceno, anhídrido acético, hidrógeno, monóxido de carbono, ácido acético e ibuprofeno.

Unidades:

Sistema SI

Reacción:

𝐶10 𝐻14 + 𝐶4 𝐻6 𝑂3 + 𝐻2 + 𝐶𝑂 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐶13 𝐻18 𝑂2 Isobutilbenceno Anhídrido Acético

Ácido Acético

Cinética de la reacción:

𝑟𝐼𝐵𝑈 = 𝑘[𝐶10 𝐻14 ]2 [𝐶4 𝐻6 𝑂3 ][𝐻2 ][𝐶𝑂]

Constante de velocidad de reacción:

𝑘 = 0,349 𝑚12 ⁄𝑚𝑜𝑙 4 − 𝑠

Ibuprofeno

4. SIMULACIÓN DEL PROCESO 4.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Reactors de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RBatch (Reactor semi-batch) y nómbrelo como R-101. 4.2. Despliegue el formulario para el llenado de datos (Data Browser), seleccione la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Reactor semi-batch” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 4.3. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes isobutilbenceno, anhídrido acético, ácido acético, ibuprofeno, monóxido de carbono e hidrógeno como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Componentes de la reacción

4.4. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico PENG - ROBINSON en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.5. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se selecciona, entonces, la carpeta Flowsheet del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a la sección GLOBAL en donde se especifican la corriente de entrada (ALIMENTO y CARGA) y salida (PRODUCTO) de materia al bloque R-101. Observe la Figura 2.

Figura 2. Conexiones al reactor R-101

El diagrama de flujo observado en la ventana de trabajo del simulador Aspen Plus se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de Flujo – Reactor tubular R-101

4.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams. Se selecciona la corriente ALIMENTO y en la ventana desplegada a la derecha se digitan sus especificaciones de acuerdo al planteamiento del problema como se observa en la Figura 4. En la Figura 5 se muestran las especificaciones digitadas, en forma similar, para la corriente CARGA.

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

Figura 5. Especificaciones de la corriente CARGA

4.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks. Se selecciona el bloque R-101 y en la ventana desplegada a la derecha (Specifications) se selecciona en el cuadro titulado Reactor operating specification (Especificación sobre la operación del reactor) la opción Constant temperatura

(Temperatura constante). En este caso, se despliega un cuadro titulado Temperature y digite a su derecha 410 K. En el cuadro Pressure specification (Especificación de la presión) se selecciona la opción Specify reactor pressure (Especifique la presión en el reactor) y se digita la presión de 14000 kPa expresada en el planteamiento del problema. Las fases válidas se seleccionan como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Especificaciones del reactor semi-batch 4.8. Presione la pestaña Reactions, presione con el clic derecho del mouse dentro del cuadro titulado Available reaction sets para desplegar una pequeña ventana titulada New Reaction Set donde introducir y nombrar un nuevo conjunto de reacciones. Asigne el nombre R-1 al nuevo conjunto de reacciones y presione el botón Aceptar. 4.9. Después de presionar Aceptar en la ventana anterior se despliega una pequeña ventana titulada Enter type donde se selecciona el tipo de reacción de acuerdo a una lista que se observa en el botón desplegable. Seleccione la opción POWERLAW y presione el botón OK. 4.10. El conjunto de reacciones R-1 creado anteriormente se observa disponible en el cuadro izquierdo de la ventana Reactions. Seleccione el conjunto de reacciones R1 presionando el botón que muestra un ángulo con vértice hacia la derecha y se observará que el conjunto R-1 ha sido trasladado al cuadro titulado Selected reaction sets. 4.11. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Reactions situada dentro de otra carpeta también denominada Reactions. Seleccione la reacción R-1 y observe que en la ventana desplegada a la derecha aparece por defecto seleccionada la pestaña Stoichiometry. Presione el botón New para desplegar la ventana titulada Edit Reaction donde se digitan los valores

positivos de los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y los productos y a la derecha de éstos se digitan los valores de los exponentes de cada uno de ellos en la ecuación de velocidad de reacción. Observe en la parte superior derecha el cuadro titulado Reaction type en donde se selecciona la opción Kinetic (es decir, reacción cinética). Observe la Figura 7.

Figura 7. Edición de la estequiometría de la reacción

4.12. Presione el botón Next incluido en la parte inferior de la ventana Edit Reaction (Figura 7) y Aspen desplegará la ventana correspondiente a la pestaña Kinetic donde se introducen las especificaciones relacionadas con la ecuación cinética de la reacción química que se observa en la parte superior de la ventana. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones cinéticas de la reacción

En el cuadro Reacting phase seleccione la opción Vapor (Fase en que se lleva a cabo la reacción), en el cuadro Rate basis seleccione la opción Reac(vol) (Reacción no catalítica) y en el cuadro Power Law kinetic expression introduzca los valores del factor pre exponencial (k), el exponente de la temperatura en la ecuación de

Arrhenius sobre la constante de velocidad de reacción (cero, por defecto) y la energía de activación (E) de acuerdo a la ecuación de velocidad de reacción expuesta en el paquete fluido. En el cuadro (Ci) basis seleccione la opción Molarity (ecuación de velocidad de reacción en función de concentración molar del alcohol isopropílico). 4.13. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá la carpeta R-101 que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Blocks. Se presiona la pestaña Stop Criteria para establecer hasta donde finalizará la simulación. Especifique una conversión del 90% del componente Isobutilbenceno. Al alcanzar dicha conversión la simulación se detendrá arrojando los resultados de la corriente de salida y tiempo requerido para alcanzar dicha conversión. Observe la Figura 9.

Figura 9. Criterio de finalización del reactor

4.14. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá la pestaña Operation Times para establecer el tiempo de llenado del reactor. Seleccione la opción Batch Feed Time y especifique 1 segundo para el tiempo de llenado del reactor. Esto se debe a que el flujo especificado a la corriente de carga al reactor es de 2 m3/seg y el volumen del reactor es de 2 m3. En el cuadro Profile result time especifique un tiempo de 24 horas en el cuadro Maximum calculation time y un tiempo de 0,5 horas en el cuadro Time interval between profile points. Observe Figura 10. 4.15. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la

ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos en la simulación del reactor semibath R101.

Figura 10. Tiempos de operación en el reactor

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO El diagrama de flujo final del reactor semi-batch simulado se muestra en la Figura 11. Aspen dispone de la opción de representar las unidades como bloques, en este caso el reactor semibatch R-101 se muestra en la Figura 11b como un bloque RBATCH con solo seleccionarlo con un clic derecho y seleccionando la opción Exchange Icon del menú contextual desplegado

(a)

(b)

Figura 11. (a) Diagrama de flujo final del reactor semi-batch (b) Diagrama de bloques Presione el botón Check results que se encuentra en la barra de herramientas para desplegar la ventana de resultados de la simulación. Despliegue la carpeta Blocks, a continuación la

carpeta R-101 y seleccione la opción Results y se debe observar, a la derecha, un resumen de los resultados del desempeño del reactor como se observa en la Figura 12. Es de notar el resultado del tiempo de 1,395 horas requerido para que la reacción alcance una conversión del 90 % del Isobutilbenceno que es el criterio de finalización fijado

Figura 12. Resumen de resultados del reactor semi-batch

Al seleccionar la opción Profiles se despliega en la ventana derecha los perfiles de las concentraciones de cada uno de los componentes que participan en la reacción durante el tiempo transcurrido hasta alcanzar la conversión deseada. Observe la Figura 13

Figura 13. Perfil de composiciones en el reactor semi-batch Al seleccionar la opción Custom Stream Resuls se despliega en la ventana derecha las propiedades de cada una de las corrientes finalizada la simulación. Observe la Figura 14.

Figura 14. Propiedades de las corrientes conectadas al reactor semi-batch

El usuario puede detallar los resultados de la simulación para analizar aspectos importantes como los balances de materia y energía en el reactor, la naturaleza termodinámica de la reacción, justificar la alta presión en el reactor o la magnitud de los flujos de las corrientes tanto de entrada como de salida.

SECCIÓN IV SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

16. RECUPERADORES DE COMPONENTES 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el desempeño de un recuperador de componentes corrientes

2. INTRODUCCIÓN Recuperador de componentes en corrientes Aspen Plus dispone de un recuperador de componentes cuya simulación representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificación de las fracciones de recuperación o de los flujos de cada componente en una de ellas, además de otros cuatro parámetros.

3. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades: Reacción:

Peng Robinson Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano y n-hexano Sistema ENG No hay

4. SIMULACIÓN DE UN RECUPERADOR DE COMPONENTES 4.1. Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Mixers/Splitters de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Mixer (Mezclador de corrientes) y nómbrelo como M-101. 4.2. En la misma pestaña Mixers/Splitters seleccione e instale el bloque FSplit (Divisor del flujo de una corriente) y nómbrelo como D-101 4.3. Presione, a continuación, la pestaña Separators de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Sep (Recuperador de corrientes) y nómbrelo como T-101. 4.4. Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso

4.5. Presione el botón Data Browser y despliegue la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Recuperación de componentes” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 4.6. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano y n-hexano como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Componentes del proceso

4.7. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Peng Robinson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se despliega, entonces, la carpeta Streams del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a las especificaciones de la corriente de entrada 1. Observe la Figura 3. En forma

similar se introducen las especificaciones de la corriente 2 como se observan en la Figura 4.

Figura 3. Especificaciones de la corriente 1

Figura 4. Especificaciones de la corriente 2

4.9. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks del Data Browser. Seleccione la opción M-101 y observe que quede especificado el mezclador de tal manera que no hay caída de presión. 4.10. Presione la opción T-101 y la ventana Specifications introduzca las fracciones de recuperación de cada uno de los componentes en la corriente 7 como se muestra en la Figura 5. 4.11. Despliegue la ventana correspondiente a la pestaña Outlet Flash y especifique a la corriente 7 a una presión de 100 psia y una fracción de vapor de 1. De igual manera especifique para la corriente 4 una presión de 103 psia y una fracción de vapor de 0. Observe la Figura 6 para las especificaciones de la corriente 7.

Figura 5. Recuperaciones de componentes en corriente 7

Figura 6. Especificaciones para la corriente 7

Figura 7. Especificaciones para la corriente 4

4.12. Presione el botón Next de la barra de herramientas para seleccionar la opción correspondiente al divisor D-101 y especifique que la corriente 5 es una fracción de 0.5 de la corriente de entrada. Observe en la Figura 8 que Aspen deshabilita, inmediatamente, la casilla correspondiente a la fracción correspondiente a la

corriente 6 (es decir, que se sobreentiende que corresponde a una fracción conocida de 0.5).

Figura 8. Fracciones de división de las corrientes en D-101

4.13. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Diagrama de flujo final del proceso

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status

para observar algunos de los resultados. En la Figura 10 se muestra la tabla de corrientes conectadas al recuperador T-101. Se puede verificar que las corrientes presentan composiciones de acuerdo a las fracciones fijadas en las entradas

Figura 10. Tabla de corrientes anexas al recuperador T-101

Es notoria la baja temperatura de 42 °F que le corresponde a la corriente 7 en estado de vapor debido a la considerable disminución de presión observada en la corriente desde su entrada (500 psia) hasta la salida (100 psia)

17. DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA IDEAL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación de una mezcla benceno - tolueno. 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación

2. INTRODUCCIÓN Una columna de destilación de una mezcla benceno-tolueno es fácil de simular. El benceno y el tolueno forman soluciones con un comportamiento prácticamente ideal, sus mezclas se ajustan muy bien a la ley de Raoult, el calor junto con el volumen de mezclado son prácticamente nulos, y un punto importante para su separación: sus temperaturas normales de ebullición son 80,15°C para benceno y 112,5°C para tolueno, una diferencia que hace que la separación sea simple. Tanto el uno como el otro son relativamente volátiles, pero cuando se hierve una disolución que contiene estas dos sustancias, el vapor formado es relativamente más rico en benceno, ya que este es más volátil que el tolueno. En este sentido, se considera que para la separación de esta mezcla será necesaria una columna de destilación simple, que dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total. Además, estará compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio (platos), con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. La etapa en donde estará ubicada alimentación separa la columna en dos secciones, denominadas rectificación y agotamiento.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere simular una columna de destilación que tiene 28 etapas de equilibrio para separar la mezcla benceno-tolueno que se alimenta por la etapa número 15 a una temperatura de 30°C; 1 atm (101,325 KPa) de presión; 10000 lbmol/h de flujo másico y una composición de 40% molar de benceno y 60% molar de tolueno. Se considera que la columna esté a la presión atmosférica, que no hay caída de presión a través de las etapas de equilibrio, que esta provista de un condensador total y que opera con una relación de reflujo de 2.319. Los productos de tope y fondo deben tener purezas del 99 % mol con respecto a benceno y tolueno, respectivamente.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones:

Peng - Robinson Benceno y Tolueno No hay

Sistema de unidades:

ENG

5. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla benceno-tolueno se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos. Determinación de azeotropos 5.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna benceno-tolueno” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 5.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos benceno y tolueno como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes benceno y tolueno

5.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de Peng Robinson como el modelo termodinámico. 5.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos benceno y tolueno entre los cuales se realiza el análisis.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

5.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de 80.15 °C y 112.5 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes permite deducir que es una destilación fácil. El benceno es un nodo inestable mientras que el tolueno es un nodo estable.

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

5.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropo entre benceno y tolueno

5.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla benceno - tolueno

Diagramas de equilibrio de fases para la mezcla benceno - tolueno Para completar el análisis de la mezcla benceno - tolueno, a continuación se construyen los diagramas de temperatura de ebullición Txy a 1 bar con el objeto de visualizar la opción que representa la destilación de una mezcla benceno - tolueno a esa presión 5.8 Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Analysis/Property/Binary. Se despliega una ventana como la que se muestra en la Figura 6. Se ha seleccionado el tipo de análisis Txy, los componentes para el análisis son benceno y tolueno, las fases válidas son vapor y líquido, la presión 1 bar y el intervalo de representación es de 0 a 1.

Figura 6. Análisis de los diagramas Txy para la mezcla binaria benceno - tolueno

5.9 Al presionar el botón Go se despliegan los gráficos de temperatura contra composición de benceno en fase líquida y en fase vapor a 14.7 psia. Observe Figura 7.

Figura 7. Diagrama T – xy para la mezcla benceno – tolueno

5.10 Junto con el despliegue de los diagramas anteriores se anexa la ventana titulada Binary Analysis Results mostrada en la Figura 8. Al presionar el botón Plot Wizard se despliega el asistente que guía para la construcción de otros tipos de gráficos.

Figura 8. Resultados del análisis binario de la mezcla benceno – tolueno

5.11 Al seleccionar la opción YX se despliegan la curva para el equilibrio líquido – vapor entre acetona y metanol a 14.7 psia mostrada en la Figura 9.

Figura 9. Diagramas Y-X para la mezcla benceno-tolueno a 14.7 psia

El gráfico de equilibrio a 14.7 psia no muestra estado azeotrópico lo que permite esperar una destilación posible en una columna simple.

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 6.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 10.

Figura 10. Columna de destilación de una mezcla benceno - tolueno

6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo

cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Especificaciones de la alimentación de la mezcla benceno – tolueno

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks.

Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 28 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 3900 lbmol/h y razón de reflujo de 2.319. Observe la Figura 12.

Figura 12. Configuración de la columna de destilación

6.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 15 como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Etapa de alimentación a la columna de destilación

6.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa

1 o el condensador es de 14.7 psia como se observa en la Figura 14. 6.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la

simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 15.

Figura 14. Presión de operación de la columna de destilación

Figura 15. Diagrama de flujo de la columna de destilación

7. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 16 se muestra la tabla de corrientes de productos BENCENO y TOLUENO. Se observa en la tabla de corrientes mostrada en la Figura 16 que el producto de tope (BENCENO) contiene 99.97 % mol en benceno mientras que el producto de fondo (TOLUENO) presenta un contenido del 98.35 % mol en tolueno. Las Figuras 17, 18, 19 y 20 muestras los cálculos hechos por el simulador para la columna T-101 con respecto al condensador, el rehervidor, los balances de materia y calor y las fracciones de recuperación de cada uno de los componentes en las corrientes de productos.

Las Figuras 17 y 18 se despliegan en la ventana correspondiente a la pestaña Summary y seleccionando la opción en el cuadro de nombre View. (Condenser/Top stage ó Reboiler/Bottom stage)

Figura 16. Propiedades de las corrientes de productos obtenidas

Figura 17. Desempeño del condensador y etapa de tope

Figura 18. Desempeño del rehervidor y la etapa de fondo

Los cálculos reportados incluyen las temperaturas en tope y fondo, los flujos calóricos aportado y extraído en rehervidor y condensador, los flujos de productos de tope y fondo, los flujos de las corrientes de reflujo tanto en el tope como en el fondo y la relación de reflujo en el rehervidor Al presionar la pestaña Balance se despliega una ventana que reporta los resultados de los balances de materia y calor a traves de la columna (Figura 19).

Figura 19. Balances de materia y calor a través de la columna de destilación

Al presionar la pestaña Split Fraction se despliega una ventana que reporta los resultados de las fracciones de recuperación de benceno y tolueno en el producto de tope y fondo, respectivamente (Figura 20).

Figura 20. Recuperación de benceno y tolueno en los productos de la destilación.

8. DESEMPEÑO DE LA COLUMNA DE DESTILACIÓN 8.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-101. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de

datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor (Observe la Figura 21). Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna.

Figura 21. Desempeño de la columna de destilación

8.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Se despliegue una ventana que da la bienvenida a un asistente (Paso 1) para la construcción de gráficos como la observada en la Figura 22.

Figura 22. Asistente para la construcción de gráficos

8.3 Al presionar el botón Next del asistente anterior se despliega una ventana (Paso 2) como la mostrada en la Figura 23 donde se incluyen un conjunto de opciones para seleccionar

relacionadas con variables que explican el desempeño de la columna etapa por etapa como la temperatura, la presión, las composiciones, los flujos y otras.

Figura 23. Paso 2 del asistente para la construcción de gráficos

8.4 Presione el cuadro titulado Comp del asistente anterior (Paso 2) para elaborar las representaciones gráficas de las composiciones a través de la columna y presione el botón Next. Se despliega una ventana (Paso 3) como la mostrada en la Figura 24 donde se seleccionan los compuestos, la fase y la base (molar o másica) entre los cuales se pretende hacer la representación.

Figura 24. Selección de los componentes para el gráfico de composiciones

8.5 Presione el botón para hacer la selección de los componentes y seguidamente presione el botón Next. La Figura 25 muestra la ventana que se despliega (Paso 4) 8.6 Presione el botón Finish del asistente anterior (Paso 4) y se desplegará la ventana que muestra los perfiles gráficos de las composiciones de benceno y tolueno en cada etapa de la columna. Observe la Figura 26. La fracción mol de benceno en el vapor disminuye de, aproximadamente, 1 en la primera etapa hasta un valor menor que 0.25 en la última etapa.

Figura 25. Paso 4 del asistente para la construcción de gráficos

Un desempeño opuesto se deduce de la gráfica ascendente que representa el perfil de la composición de tolueno en el vapor

Figura 26. Perfiles de la composición de vapor en la columna T-101

La Figura 27 muestra los perfiles de los flujos molares de vapor y de líquido a través de la columna

Figura 27. Perfiles de los flujos molares de vapor y líquido en la columna T-101

La Figura 28 muestra el perfil de la temperatura a través de las etapas de la columna T-101.

Figura 28. Perfil de la temperatura a través de la columna T-101

Se sugiere que el usuario construya los otros gráficos disponibles dentro del asistente de Aspen Plus para adquirir un conocimiento mas sólido sobre el desempeño de una columna de destilación

18. DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA PROPILENO-PROPANO 1. OBJETIVOS a. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación de una mezcla propileno propano de similares volatilidades. b. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación

2. INTRODUCCIÓN Un separador propileno-propano es una columna fácil de simular. Sin embargo, un factor crítico al producirlos es la predicción de las volatilidades relativas de los dos componentes claves. Se dará una consideración especial a estos componentes, al desarrollar los coeficientes de interacción binarios para la ecuación de Soave Redlich Kwong (SRK) para asegurar que este método modela correctamente este sistema. Estos separadores tienen varias etapas y se construyen, a menudo, como dos columnas separadas.

3. PROCESO ESTUDIADO Esta simulación consta de una columna con dos secciones: una de agotamiento y otra de rectificación. La columna tiene un total de 183 etapas de equilibrio y es alimentada por la etapa 136 con una mezcla que contiene 40 % molar de propano y 60 % molar de propileno, en fase vapor a 300 psia y un flujo de 1322.76 lbmol/h. La presión de operación de la columna es 280 psia, el flujo de destilado es 774.14 lbmol/hora y la relación de reflujo es de 16.4. Con estas condiciones de operación se obtiene un producto de fondos con un contenido en propano del 95 % mol y un producto destilado con un contenido en propileno del 99 % mol.

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla propileno - propano se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos.

Determinación de azeotropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac (Modelo RECT) como una columna de destilación y nómbrela como T-101.

4.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1.

Figura 1. Columna de destilación de una mezcla propileno - propano

4.3 Presione el botón Data Browser y despliegue la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna propileno - propano” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 4.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes propeno y propano. 4.5 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Peng - Robinson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.6 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

4.7 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de 47.07 °F y 55.33 °F para las temperaturas de ebullición de los componentes permite deducir que es una destilación posible con un número de etapas de equilibrio considerablemente alto. El propileno es un nodo inestable mientras que el propano es un nodo estable.

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.8 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropo entre propileno y propano

4.9 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla

Diagramas de temperatura de ebullición Txy Para completar el análisis de la mezcla propileno - propano, a continuación se construyen los diagramas de temperatura de ebullición Txy a 280 psia con el objeto de visualizar la opción que representa la destilación de una mezcla propileno – propano a esa presión. 4.10 Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Analysis/Property/Binary. Se despliega una ventana como la que se muestra en la Figura 6. Se ha seleccionado el tipo de análisis Txy, los componentes para el análisis son propileno y propano, las fases válidas son vapor y líquido, las presión 280 psia y el intervalo de representación es de 0 a 1.

Figura 6. Análisis de los diagramas Txy para la mezcla binaria propileno - propano

4.11 Al presionar el botón Go se despliegan los gráficos de temperatura contra composición de propileno en fase líquida y en fase vapor a 280 psia. Observe Figura 7.

Figura 7. Diagramas Txy para la mezcla propileno – propano a 280 psia

4.12 Junto con el despliegue de los diagramas anteriores se anexa la ventana titulada Binary Analysis Results mostrada en la Figura 8.

Figura 8. Ventana Binary Analysis Results

4.13 Al presionar el botón Plot Wizard se despliega el asistente que guía para la construcción de otros tipos de gráficos. Al seleccionar la opción YX se despliegan la curva para el equilibrio líquido – vapor entre acetona y metanol a 280 psia. Observe la Figura 9.

Figura 9. Diagrama de equilibrio entre propileno y propano

El gráfico de equilibrio a 280 psia no muestra estado azeotrópico lo que permite esperar una destilación posible en una columna simple con un considerable número de etapas de equilibrio.

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

Peng - Robinson Propano y Propeno o Propileno No hay ENG

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

6.1 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se despliega, entonces, la carpeta Streams del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a las especificaciones de la corriente de entrada ALIMENTO (Fracción de vapor igual a uno, 300 psia, 1322.76 lbmol/h, 60 % mol de propileno y 40 % mol de propano). Observe la Figura 10.

Figura 10. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

6.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta T101 donde ingresar las especificaciones de la columna de destilación. En la ventana de propiedades de la columna T-101, en la pestaña titulada Configuration complete la configuración como se observa en la Figura 11. (183 etapas de equilibrio, condensador total, flujo de destilado 774.14 lbmol/h y razón de reflujo 16.4). 6.3 Presione la pestaña Streams de la ventana de especificaciones de la columna T-101 y especifique que la corriente de alimentación se carga por la etapa 136 como se observa en la Figura 12.

6.4 Presione la pestaña Pressure de la ventana de especificaciones de la columna T-101 y especifique que la presión de la corriente de tope es de 280 psia como se observa en la Figura 13.

Figura 11. Configuración de la columna de destilación T-101

Figura 12. Corriente de alimentación a la columna de destilación (T-101)

Figura 13. Presión en el tope de la columna de destilación T-101

6.5 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Diagrama de flujo de la columna de destilación

7. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 15 se muestra la tabla de corrientes de productos PROPENO y PROPANO.

Figura 15. Propiedades de los productos de la destilación

Se observa en la tabla de corrientes mostrada en la Figura 15 que el producto de fondo PROPANO tiene un contenido del 94.4 % mol en propano, mientras que el producto de tope PROPENO tiene un contenido del 98.59 % mol en propileno. En la Figura 16 se muestra un resumen de los cálculos hechos por el simulador alrededor del rehervidor y la etapa del fondo de la columna de destilación, la temperatura, el flujo calórico, el flujo del producto de fondos, el flujo del vapor recirculado y la relación de reflujo en el rehervidor.

Figura 16. Desempeño del rehervidor y etapa de fondo

En la Figura 17 se muestran las fracciones de recuperación de propileno y propano calculadas por el simulador.

Figura 17. Fracciones de recuperación de propileno y propano

8. CASOS DE ESTUDIO 1. Estudiar la sensibilidad de la composición del propileno en la corriente de destilado con el cambio en la presión en el tope 2. Estudiar la sensibilidad de la composición del propileno en la corriente de destilado con el cambio en la relación de reflujo. 3. Cómo se observan los cambios en la composición del propano en la corriente de fondo de acuerdo a lo analizado en los puntos anteriores. 4. Qué se observa con respecto a las necesidades de requerimientos energéticos en el rehervidor y en el condensador de la columna

19. DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA TERNARIA IDEAL I 1. OBJETIVOS 1.1 Simular, en estado estacionario, una secuencia directa de columnas de destilación para la separación de una mezcla benceno – tolueno - difenilo. 1.2 Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación

2. INTRODUCCIÓN Una mezcla compuesta por benceno, tolueno y difenilo es una solución con un comportamiento prácticamente ideal en cualquier proporción, y se ajusta muy bien a la ley de Raoult. Las temperaturas normales de ebullición son 80,1°C para benceno, 110,6°C para tolueno y 255,85 °C para el difenilo, las amplias diferencias entre estos puntos hace que la separación sea bastante simple. Las tres sustancias presentan alta volatilidad por lo que su separación demandaría equipos sencillos y bajos requerimientos energéticos; dos columnas en serie es la manera adecuada de destilar este tipo de mezclas, en las cuales en la primera se puede obtener benceno como producto de tope por medio de destilación directa o difenilo en el fondo por la secuencia indirecta. En cualquiera de los casos, el tolueno se obtendría como producto de tope o fondo en una segunda columna.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere el diseño de dos columnas de destilación en secuencia directa para separar la mezcla benceno-tolueno y difenilo, en la que se obtengan las especies con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Las condiciones de la corriente de alimentación son 80°C; 1 atm (101,325 kPa); 1000 kmol/h; 30% molar de benceno, 30% molar de tolueno y 40% molar de difenilo. La primera columna opera presión atmosférica, tiene 33 etapas de equilibrio, es alimentada por la etapa número 18 y su relación de reflujo es de 1.76. La segunda columna también opera a presión atmosférica, tiene 15 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 8 y su relación de reflujo es de 0.059. Como se ha planteado, se considera que para la separación de esta mezcla serán necesarias dos columnas de destilación simples, cada una dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total y se considera que no hay caída de presión a través de cada una de ellas. Además, se explorará para este caso de estudio la secuencia directa se separación en la cual producto de fondo de la primera columna, será enviado como alimento a la segunda. El análisis previo de la mezcla dice que entre los componentes de la mezcla no existen azeótropos

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla benceno-tolueno se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos.

Determinación de azeotropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna benceno-tolueno-difenilo” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos benceno, tolueno y difenilo como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes benceno y tolueno

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de Peng Robinson como el modelo termodinámico. 4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos benceno, tolueno y difenilo entre los cuales se realiza el análisis. 4.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de 80.15 °C, 112.5 °C y 254.80 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes

permite deducir que es una destilación fácil. El benceno es un nodo inestable, el tolueno es un nodo de silla mientras que el difenilo es un nodo estable.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropos entre benceno, tolueno y difenilo

4.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla benceno – tolueno – difenilo

Mapa de curvas de residuo para la mezcla benceno – tolueno - difenilo Para completar el análisis de la mezcla benceno – tolueno - difenilo, a continuación se construye un mapa de curvas de residuo a 1 bar con el objeto de visualizar la opción que representa la destilación de una mezcla benceno - tolueno – difenilo a esa presión 4.8 Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Analysis/Property/Residue. Se despliega una ventana titulada Distillation Synthesis como la que se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Selección para el análisis de procesos de destilación

4.9 Al presionar el botón Continue to Aspen Plus Residue Curves se despliega la ventana titulada Residue Curves que contiene la información recogida para la construcción del mapa de curvas de residuo a 1 atm para la mezcla benceno, tolueno y difenilo utilizando la ecuación de Peng Robinson. Observe en la Figura 7 que las fases válidas, por defecto, son Vapor – Líquido y que se tienen tres opciones en cuanto al número de curvas que aparecerán en el mapa. 4.10 Al presionar el botón Go se despliega el mapa de curvas de residuo mostrado en la Figura 8. Las curvas de residuo nacen en el nodo correspondiente al benceno (nodo inestable) tienden a acercarse al nodo correspondiente al tolueno (nodo de silla) y convergen en el nodo correspondiente al difenilo (nodo estable). En el mapa de curvas de residuo se observa que no hay azeótropos y que para cualquier composición de la mezcla ternaria es posible obtener productos con altas purezas para cada uno de los componentes

Figura 7. Información para la construcción de curvas de residuo

Figura 8. Mapa de curvas de residuo para la mezcla benceno – tolueno – difenilo

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

Peng - Robinson Benceno, tolueno y difenilo No hay MET

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-101 6.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-101.

6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 9.

Figura 9. Primera columna de destilación de una mezcla benceno - tolueno - difenilo

6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo

cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Especificaciones de la mezcla benceno – tolueno - difenilo

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks.

Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 33 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 300 kmol/h y razón de reflujo de 1.76. Observe la Figura 11.

Figura 11. Configuración de la columna de destilación T-101

6.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 18 como se observa en la Figura 12.

Figura 12. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-101

6.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa

1 o el condensador es de 1 atm como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Presión de operación de la columna T-101

6.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Diagrama de flujo de la columna de destilación T-101

7. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-101 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 15 se muestra la tabla de la corriente de producto BENCENO.

Figura 15. Propiedades de la corriente de producto de benceno

Se observa en la tabla de corrientes mostrada en la Figura 15 que el producto de tope (BENCENO) contiene 99.93 % mol en benceno. Esto satisface el requerimiento inicial del planteamiento del problema.

8. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-102 8.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-102. 8.2 Reinicialize la simulación de la columna T-101 y presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 16.

Figura 16. Diagrama de flujo - Secuencia directa de columnas de destilación

8.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 15 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 300 kmol/h y razón de reflujo de 0.059. Observe la Figura 17.

Figura 17. Configuración de la columna de destilación T-102

8.4 Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 8 como se observa en la Figura 18.

Figura 18. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-102

8.5 Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 1 atm como se observa en la Figura 19.

Figura 19. Presión de operación de la columna T-102

8.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Diagrama de flujo – Secuencia directa para la destilación de la mezcla

9. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-102 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 21 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes BENCENO, TOLUENO y DIFENILO. El producto DIFENILO tiene una pureza del 99 %, aproximadamente, mientras que el producto TOLUENO tiene una pureza del 98.4 %

Figura 21. Propiedades de las corrientes de productos de benceno, tolueno y difenilo

Se deja al usuario la asignación de revisar los resultados reportados por el simulador sobre el diseño de las columnas T-101 y T-102.

10. DESEMPEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN 10.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-101. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. 10.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de benceno y tolueno en la fase vapor de la columna T-101. El resultado es el mostrado en la Figura 22.

Figura 22. Perfil de composiciónes a través de la columna T-101

Se sugiere que el usuario construya los otros gráficos disponibles dentro del asistente de Aspen Plus para adquirir un conocimiento mas sólido sobre el desempeño de una columna de destilación

20. DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA TERNARIA IDEAL II 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una secuencia indirecta de columnas de destilación para la separación de una mezcla benceno – tolueno – difenilo. 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación (99%).

2. INTRODUCCIÓN Una mezcla compuesta por benceno, tolueno y difenilo es una solución con un comportamiento prácticamente ideal en cualquier proporción, y se ajusta muy bien a la ley de Raoult. Las temperaturas normales de ebullición son 80,1°C para benceno, 110,6°C para tolueno y 255,85 °C para el Difenilo, las amplias diferencias entre estos puntos hace que la separación sea bastante simple. Las tres sustancias presentan alta volatilidad por lo que su separación demandaría equipos sencillos y bajos requerimientos energéticos; dos columnas en serie es la manera adecuada de destilar este tipo de mezclas, en las cuales en la primera se puede obtener difenilo como producto de fondo por medio de destilación indirecta o benceno en el tope por la secuencia directa. En cualquiera de los casos, el tolueno se obtendría como producto de tope o fondo en una segunda columna.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere el diseño de dos columnas de destilación en secuencia indirecta para separar la mezcla benceno-tolueno y difenilo, en la que se obtengan las especies con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Las condiciones de la corriente de alimentación son 80°C; 1 atm (101,325 kPa); 1000 kmol/h; 30% molar de benceno, 30% molar de tolueno y 40% molar de difenilo. La primera columna opera presión atmosférica, tiene 15 etapas de equilibrio, es alimentada por la etapa número 8 y su relación de reflujo es de 0.0345. La segunda columna también opera a presión atmosférica, tiene 39 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 20 y su relación de reflujo es de 2.2425. Como se ha planteado, se considera que para la separación de esta mezcla serán necesarias dos columnas de destilación simples, cada una dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total y se considera que no hay caída de presión a través de cada una de ellas. Además, se explorará para este caso de estudio la secuencia indirecta de separación en la cual el producto de tope de la primera columna, será enviado como alimento a la segunda. El análisis previo de la mezcla dice que entre los componentes de la mezcla no existen azeótropos.

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla benceno-tolueno se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos.

Determinación de azeotropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna indirecta benceno-toluenodifenilo” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos benceno, tolueno y difenilo como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes benceno, tolueno y difenilo

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de Peng Robinson como el modelo termodinámico. 4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos benceno, tolueno y difenilo entre los cuales se realiza el análisis. 4.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de 80.15 °C, 112.5 °C y 254.80 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes permite deducir que es una destilación fácil. El benceno es un nodo inestable, el tolueno es un nodo de silla mientras que el difenilo es un nodo estable.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropos entre benceno, tolueno y difenilo

4.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla benceno – tolueno – difenilo

Mapa de curvas de residuo para la mezcla benceno – tolueno - difenilo Para completar el análisis de la mezcla benceno – tolueno – difenilo, a continuación se construye un mapa de curvas de residuo a 1 bar con el objeto de visualizar la opción que representa la destilación de una mezcla benceno - tolueno – difenilo a esa presión 4.8 Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Analysis/Property/Residue. Se despliega una ventana titulada Distillation Synthesis como la que se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Selección para el análisis de procesos de destilación

4.9 Al presionar el botón Continue to Aspen Plus Residue Curves se despliega la ventana titulada Residue Curves que contiene la información recogida para la construcción del mapa de curvas de residuo a 1 atm para la mezcla benceno, tolueno y difenilo utilizando la ecuación de Peng Robinson. Observe en la Figura 7 que las fases válidas, por defecto, son Vapor – Líquido y que se tienen tres opciones en cuanto al número de curvas que aparecerán en el mapa. 4.10 Al presionar el botón Go se despliega el mapa de curvas de residuo mostrado en la Figura 8. Las curvas de residuo nacen en el nodo correspondiente al benceno (nodo inestable) tienden a acercarse al nodo correspondiente al tolueno (nodo de silla) y convergen en el nodo correspondiente al difenilo (nodo estable). En el mapa de curvas de residuo se observa que no hay azeótropos y que para cualquier composición de la mezcla ternaria es posible obtener productos con altas purezas para cada uno de los componentes

Figura 7. Información para la construcción de curvas de residuo

Figura 8. Mapa de curvas de residuo para la mezcla benceno - tolueno - difenilo

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

Peng - Robinson Benceno, tolueno y difenilo No hay MET

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-101 6.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-101.

6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 9.

Figura 9. Primera columna de destilación de una mezcla benceno - tolueno - difenilo

6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo

cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Especificaciones de la mezcla benceno - tolueno – difenilo

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks.

Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 15 etapas

de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 599,4 Kmol/h y razón de reflujo de 0,0345. Observe la Figura 11.

Figura 11. Configuración de la columna de destilación T-101

6.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 8 como se observa en la Figura 12.

Figura 12. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-101

6.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa

1 o el condensador es de 1 atm como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Presión de operación de la columna T-101

6.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Diagrama de flujo de la columna de destilación T-101

7. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-101 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status

para observar algunos de los resultados. En la Figura 15 se muestra la tabla de la corriente de producto DIFENILO.

Figura 15. Propiedades de la corriente de producto de difenilo

Se observa en la tabla de corrientes mostrada en la Figura 15 que el producto de fondo (DIFENILO) contiene 99.55 % mol en difenilo. Esto satisface el requerimiento inicial del planteamiento del problema.

8. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-102 8.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-102. 8.2 Reinicialize la simulación de la columna T-101 y presione el botón Material STREAMS

de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 16.

Figura 16. Diagrama de flujo - Secuencia indirecta de columnas de destilación

8.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se

desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 39 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 300 kmol/h y razón de reflujo de 2,2425. Observe la Figura 17.

Figura 17. Configuración de la columna de destilación T-102

8.4 Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 20 como se observa en la Figura 18.

Figura 18. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-102

8.5 Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa

1 o el condensador es de 1 atm como se observa en la Figura 19.

Figura 19. Presión de operación de la columna T-102

8.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la

simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Diagrama de flujo – Secuencia indirecta para la destilación de la mezcla

9. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-102 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 21 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes BENCENO, TOLUENO y DIFENILO. El producto BENCENO tiene una pureza del 99,99 %, aproximadamente, mientras que el producto TOLUENO tiene una pureza del 99,60 %

Figura 21. Propiedades de las corrientes de productos de benceno, tolueno y difenilo

Se deja al usuario la asignación de revisar los resultados reportados por el simulador sobre el diseño de las columnas T-101 y T-102.

10. DESEMPEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN 10.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-101. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. 10.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de benceno, tolueno y difenilo en la fase vapor de la columna T-101. El resultado es el mostrado en la Figura 22.

Figura 22. Perfil de composiciónes a través de la columna T-101

Son notorios los perfiles de cambio de las composiciones para cada uno de los componentes. Con respecto al benceno se observa una fracción mol de 0.7 en el tope que disminuye con el descenso hacia las etapas inferiores pero que se mantiene en un valor constante en las etapas próximas a la de la alimentación. El tolueno muestra un perfil en ascenso de la primera etapa hacia abajo y luego desciende por el aumento en concentración del difenilo, en forma similar a lo que se observa con el benceno en las etapas próximas a la de la alimentación muestra una composición aproximadamente constante.

10.3 Repita los pasos 10.1 y 10.2 para la columna de destilación T-102 para desplegar los perfiles de las composiciones del benceno y tolueno en fase vapor. El resultado es el mostrado en la Figura 23.

Figura 23. Perfil de composiciónes a través de la columna T-102

Se observan los resultados esperados tanto con el benceno como con el tolueno y la pequeña inflexión en las curvas debido al mezclado de los flujos a través de la columna con el alimento. Se sugiere que el usuario construya los otros gráficos disponibles dentro del asistente de Aspen Plus para adquirir un conocimiento mas sólido sobre el desempeño de una columna de destilación

21. INTEGRACIÓN ENERGÉTICA EN UNA COLUMNA 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2.

Simular en estado estacionario una columna rigurosa. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de libertad.

2. INTRODUCCIÓN Una columna de destilación requiere además de su alimentación, de la instalación de un rehervidor y un condensador. En el rehervidor se suministra el calor requerido para producir el vapor que sube a lo largo de la columna y en el condensador se extrae el calor necesario para que el vapor que emerge por el tope sea condensado. Aspen dispone de un modelo de columna denominado RadFrac que simula operaciones de agotamiento, rectificación, absorción y demás relacionados con la destilación en 2 o 3 fases. Incorpora también la opción de columna con o sin rehervidor o condensador. En una columna de destilación con condensador total, el vapor de tope se transforma completamente en líquido en su punto de burbuja y este, a su vez, se divide en dos fracciones de reflujo y destilado, parte de este es recirculado a la columna y la otra parte es recogida como el destilado. En una columna de destilación con condensador parcial, el vapor de tope se condensa parcialmente en dos fases líquido-vapor en equilibrio. La fracción condensada, a su vez es dividida en reflujo y destilado. Si el condensador es parcial con reflujo total todo el condensado es recirculado a la columna.

3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua que contiene ácido sulfhídrico y amoníaco se precalienta mediante el calor transferido por una corriente que proviene de los fondos de una columna de destilación. La corriente de agua ácida caliente se destila a unas condiciones tales que el producto de fondo es agua del 99.99 % mol pura y es recogida como el producto del tratamiento después de su utilización como fluido caliente en el pre-calentador. El vapor que emerge de la columna de destilación es una mezcla de vapor de agua concentrado en los otros dos componentes que deberá determinarse si se sigue tratando o se aprovecha, pero en esta simulación se deja como el otro efluente del proceso. El diagrama de flujo descrito y observado en la Figura 1 es un ejemplo de la integración energética posible en un proceso, que permita la minimización de servicios energéticos externos y, por lo tanto, de los costos operativos aprovechando el contenido calórico de los fondos de la columna de destilación.

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

Wilson

Componentes:

Sulfuro de hidrógeno, amoníaco y agua

Unidades:

Sistema ENG

Reacción:

No hay

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation presione la pestaña Heat Exchangers de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque HeatX (Modelo E-HS-1 CN) y nómbrelo como E-101. 5.2 En la pestaña Columns seleccione e instale el bloque RadFrac y nómbrelo como T-101 5.3 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1.

5.4 Presione el botón Data Browser y despliegue la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna fraccionadora” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida. 5.5 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Components del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha introduzca los componentes sulfuro de hidrógeno, amoníaco y agua como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Componentes del proceso

5.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta

Properties del Data Browser. En la ventana desplegada a la derecha seleccione como modelo termodinámico la ecuación de Wilson en el cuadro titulado Property Method. Tenga presente que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 5.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la ventana

titulada Required Properties Input Complete. Seleccione la opción Go to next required input step y presione el botón Aceptar. Se despliega, entonces, la carpeta Streams del Data Browser y se despliega a la derecha la ventana correspondiente a las especificaciones de la corriente de entrada ALFRIO. Observe la Figura 3. 5.8 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta E101 donde ingresar las especificaciones del intercambiador de carcasa y tubo. En la ventana de propiedades del intercambiador E-101, en el cuadro titulado Exchanger specification seleccione la opción Cold stream outlet temperature y en el cuadro titulado Value introduzca un valor de 200°F para la temperatura de salida de la corriente fría. Observe la Figura 4.

Figura 3. Especificaciones de la corriente ALFRIO

Figura 4. Especificaciones para el intercambiador E-101

5.9 Presione la pestaña titulada Pressure Drop y especifique tanto para el lado caliente como para el lado frio una caída de presión de 10 psi. La Figura 5 solo muestra la especificación para el lado caliente. 5.10 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta T-101 donde ingresar las especificaciones de la columna de destilación RadFrac modelada con un método riguroso. En la ventana de propiedades de la columna especifique un número de platos de 8, un condensador parcial, un flujo de destilado de 480 lbmol/hr y una razón de reflujo de 10 (base molar). Observe la Figura 6.

Figura 5. Caída de presión en el intercambiador

Figura 6. Configuración de la columna T-101

5.11 Presione la pestaña titulada Streams y especifique, dentro de la ventana desplegada, que la corriente de alimentación se carga a la columna por la etapa 3 y deje las especificaciones sobre las corrientes de productos como los tiene por defecto el simulador. Observe la Figura 7. 5.12 Presione la pestaña titulada Pressure y especifique, dentro de la ventana desplegada, que la presión en la etapa 1/condensador es de 25 psia. Observe la Figura 8. Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de dialogo en la cual indica que todas las especificaciones han sido introducidas y preguntara si se desea correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 9.

5.13

Figura 7. Corriente de alimentación y de productos de la columna T-101

Figura 8. Presiones en la columna T-101

Figura 9. Diagrama de flujo final del proceso

6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 10 se muestra la tabla de corrientes de productos PRODUCT y VAPOR.

Figura 10. Composiciones de las corrientes de productos del proceso

Se observa una corriente PRODUCT con una composición en agua ligeramente mayor que la mezcla fría alimentada (fracción mol de 0.997954) y una corriente de vapor concentrada en los gases sulfuro de hidrógeno y amoníaco cuyas fracciones molares suman aproximadamente 0.97. Se podría considerar que se ha logrado despojar de agua la mezcla de sulfuro de hidrógeno y amoníaco alimentada al proceso. Al presionar el botón Blocks y seleccionar la opción T-101 se pueden observar algunos resultados calculados por el simulador. La Figura 11 muestra un resumen del desempeño de la etapa de tope y del condensador. Es notorio el alto flujo de la corriente de reflujo y la magnitud del calor absorbido en el condensador. La Figura 12 muestra el desempeño del rehervidor. La ventana que se despliega al presionar la pestaña Split Fraction muestra las fracciones de recuperación de cada uno de los componentes en la corriente VAPOR y FONDOS de la columna.

Figura 11. Resumen del desempeño del tope y condensador de la columna T-101

Figura 11. Resumen del desempeño del fondo y rehervidor de la columna T-101

Figura 12. Fracciones de recuperación de componentes en la columna T-101

22. DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA CUATERNARIA IDEAL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una secuencia indirecta de columnas de destilación para la separación de una mezcla metanol, etanol, n-propanol y ácido acético. 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación.

2. INTRODUCCIÓN Una mezcla multicomponente compuesta por metanol, etanol, n-propanol y ácido acético es una solución con un comportamiento prácticamente ideal en cualquier proporción, y se ajusta muy bien a la ley de Raoult. Las temperaturas normales de ebullición son 64,7°C para metanol, 78,25°C para etanol, 97,15°C para n-propanol y 118°C °C para el ácido acético. Nótese que las diferencias entre los puntos de ebullición de los componentes utilizados son pequeñas con respecto al orden de volatilidades, por lo cual se utilizan columnas simples pero con un número considerable de platos para obtener una alta pureza en los productos además de necesitar bajos requerimientos energéticos. Tres columnas en serie es la manera adecuada de destilar este tipo de mezclas por medio de una destilación indirecta; en las cuales se obtiene ácido acético como producto de fondo en la primera columna, en la segunda se obtiene n-propanol por el fondo, y finalmente en la tercera columna se obtiene metanol y etanol como productos de tope y fondo respectivamente.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere el diseño de tres columnas de destilación en secuencia indirecta para separar la mezcla metanol, etanol, n-propanol y ácido acético, en la que se obtengan las especies con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Las condiciones de la corriente de alimento son 25°C; 1 atm (101,325 kPa); 100 kmol/h; 25% molar de metanol, 25% molar de etanol, 25% molar de n-propanol y 25% molar de ácido acético. La primera columna opera 161,3 kPa, tiene 29 etapas de equilibrio, es alimentada por la etapa número 13 y su relación de reflujo es de 0,5415. La segunda columna opera a 151,3 kPa, tiene 44 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 20 y su relación de reflujo es de 1,473. La tercera columna opera a 141,3 kPa, tiene 73 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 37 y su relación de reflujo es de 5,787. Como se ha planteado, se considera que para la separación de esta mezcla serán necesarias tres columnas de destilación simples, cada una dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total y se considera que la caída de presión a través de cada una de ellas es de

20 kPa. El análisis previo de la mezcla dice que entre los componentes de la mezcla no existen azeótropos.

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla benceno-tolueno se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos.

Determinación de azeotropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Secuencia indirecta multicomponente” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos metanol, etanol, n-propanol y ácido acético como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes metanol, etanol, n-propanol y ácido acético

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de UNIQUAC como el modelo termodinámico. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado.

4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos metanol, etanol, n-propanol y ácido acético entre los cuales se realiza el análisis.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

4.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de 64,53 °C, 78,31 °C, 97,20 °C y 118,01 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes permite deducir que es una destilación fácil. El metanol es un nodo inestable, el etanol y n-propanol son nodos de silla mientras que el ácido acético es un nodo estable.

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropos entre metanol, etanol, n-propanol y ácido acético

4.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla metanol, etanol, n-propanol y ácido acético

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

UNIQUAC metanol, etanol, No hay MET

n-propanol

y

ácido

acético

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – BOMBA P-101 6.1 Presione la pestaña Pressure Changes de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Pump como una bomba y nómbrela como P-101. 6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 6.

Figura 6. Bomba P-101 y corrientes de alimentación y entrada a la primera columna

6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo

cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 7.

Figura 7. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks.

Seleccione la opción P-101 y especifique en la pestaña Specification el incremento de presión de 70 kPa. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificacion de la bomba P-101

7. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-101 7.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque

RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-101.

7.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector

de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 9.

Figura 9. Diagrama de flujo primera columna

7.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se

desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 29 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 75 kmol/h y razón de reflujo de 0,5415. Observe la Figura 10.

Figura 10. Configuración de la columna de destilación T-101

7.4 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 13 como se observa en la Figura 11. 7.5 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa

1 o el condensador es de 161,3 kPa y una caída de presión de 20 kPa como se observa en la Figura 12.

Figura 11. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-101

Figura 12. Presión de operación de la columna T-101

7.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana

de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 13.

8. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-101 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 14 se muestra la tabla que muestra las composiciones de la corriente ACETICO con una pureza del 99, 70 % molar en ácido acético.

Figura 13. Diagrama de flujo primera columna

Figura 14. Propiedades de las corriente de producto de Acido acetico.

9. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-102 9.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-102. 9.2 Reinicialize la simulación de la columna T-101 y presione el botón Material STREAMS

de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 15. 9.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se

desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 44 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 50 kmol/h y razón de reflujo de 1.473. Observe la Figura 16.

Figura 15. Diagrama de flujo segunda columna de destilacion

Figura 16. Configuración de la columna de destilación T-102

9.4 Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento se carga

por la etapa de equilibrio número 20 como se observa en la Figura 17.

Figura 17. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-102 9.5 Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 151,3 kPa con una caída de presión de 20 kPa. Como se observa en la Figura 18.

Figura 18. Presión de operación de la columna T-102

9.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Diagrama de flujo final segunda columna de destilacion

10. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-102 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 20 se muestra la tabla que muestra la composición molar de la corriente PROPANOL, con una pureza del 99,64 %.

Figura 20. Propiedades de la corriente de producto de n-propanol.

11. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-103 11.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque RadFrac como una columna de destilación y nómbrela como T-103. 11.2 Reinicialize la simulación de la columna T-102 y presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 21.

Figura 21. Diagrama de flujo tercera columna de destilacion

11.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-103 y especifique la Configuración de la columna con 73 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 25 kmol/h y razón de reflujo de 5,787. Observe la Figura 22.

Figura 22. Configuración de la columna de destilación T-103

11.4 Presione la pestaña Streams de la opción T-103 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 37 como se observa en la Figura 23.

Figura 23. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-103

11.5 Presione la pestaña Pressure de la opción T-103 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 141,3 kPa con una caída de presión de 20 kPa como se observa en la Figura 24. 11.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 25.

Figura 24. Presión de operación de la columna T-103

Figura 25. Diagrama de flujo final del proceso

12. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T-103 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 26 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes METANOL Y ETANOL. El producto METANOL tiene una pureza del 99,99 %, aproximadamente, mientras que el producto ETANOL tiene una pureza del 98,92 %.

13. DESEMPEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN 13.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-103. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras

pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. Como se observa en la Figura 27.

Figura 26. Propiedades de las corrientes de productos de metanol y etanol.

Figura 27. Tabla TPFQ de la columna T-103. 13.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de metanol y etanol en la fase vapor de la columna T-103. El resultado es el mostrado en la Figura 28.

Figura 28. Perfil de composiciones a través de la columna T-103

23. PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2. 1.3.

Simular un tren de columnas de destilación o de absorción Simular una planta que transforma dos corrientes de gas natural en varios productos hidrocarbonados enriquecidos en alguno de ellos. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de libertad.

2. PROCESO ESTUDIADO En el proceso a simular a continuación se utiliza un tren de tres columnas separadoras que utilizan como materia prima dos corrientes con un cierto contenido de hidrocarburos saturados cuyas propiedades se muestran a continuación:

NOMBRE: TEMPERATURA: PRESION: FLUJO MOLAR: COMPOSICIÓN: Nitrógeno Dióxido de carbono Metano Etano Propano I-butano n-butano Pentano Hexano Heptano Octano

F1 -139 °F 330 psia 3575 Kmol/h

F2 -120 °F 332 psia 475 Kmol/h

0.0025 0.0048 0.7041 0.1921 0.0706 0.0112 0.0085 0.0056 0.0003 0.0002 0.0001

0.0057 0.0029 0.7227 0.1176 0.0750 0.0204 0.0197 0.0249 0.0037 0.0047 0.0027

La primera columna (desmetanizadora) es un absorbedor con rehervidor y sin condensador que opera a 330 psia sin caída de presión, tiene 10 etapas de equilibrio, el alimento F1 se carga por la etapa número 1 y el alimento F2 se carga por la etapa número 2 y en ella se obtiene un gas natural de alto contenido en metano. La segunda columna (desetanizadora) es un destilador donde se obtienen dos productos enriquecidos en etano, el uno en forma de vapor y el otro en estado líquido (condensador parcial), tiene 14 etapas de equilibrio, se alimenta con el producto de fondos de la columna desmetanizadora por la etapa 6 y opera a

una presión de 360 psia. La razón de reflujo es 2.5 y se requiere un flujo de destilado de 700 kmol/h. La tercera columna (despropanizadora) es un destilador donde se obtienen dos productos líquidos concentrados, el uno en propano y el otro en los hidrocarburos más pesados, tiene 24 etapas de equilibrio, se alimenta con los productos de fondo de la columna desetanizadora por la etapa 11 y opera a una presión de 350 psia sin caída de presión. La razón de reflujo es 1 y se requiere un flujo de destilado de 240 kmol/h.

3. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

Peng - Robinson N2, CO2, C1 – C8 No hay ENG

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 4.1.

Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Planta de gas natural” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema ENG de unidades de medida.

4.2.

Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos nitrógeno, dióxido de carbono, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Componentes de la simulación

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de Peng Robinson como el modelo termodinámico. Verifique la selección de los parámetros binarios. 4.4 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, despliegue el botón RadFrac y seleccione el modelo PACKSTR1 como una columna de absorción con rehervidor sin condensador y nómbrela como T-101. 4.5 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 2. La corriente Q1 representa la administración de un flujo calórico de 2000000 Btu/h.

Figura 2. Columna desmetanizadora T-101

4.6 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente F1 y F2 con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en las Figuras 3 y 4.

Figura 3. Especificaciones de la corriente de alimentación F1

Figura 4. Especificaciones de la corriente de alimentación F2

4.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 10 etapas de equilibrio, sin condensador, flujo molar de destilado de 2950 kmol/h. Observe la Figura 5.

Figura 5. Configuración de la columna desmetanizadora T-101

4.8 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento F1 se carga por la etapa de equilibrio número 1 y que el alimento F2 se carga por la etapa de equilibrio número 2 como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Corrientes de alimentación y productos en la columna T-101

4.9 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 330 psia como se observa en la Figura 7.

Figura 7. Presión de operación en la columna T-101

4.10 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la opción Heaters Coolers. Especifique que el flujo calórico Q1 se alimenta por la etapa de equilibrio número 4. Observe la Figura 8. 4.11 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la

simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 9.

Figura 8. Etapa de alimentación del flujo calórico Q1

Figura 9. Columna desmetanizadora

Al observar los resultados se encuentra que la corriente de tope (METANO) contiene 97 % mol en metano y un 2 % mol de etano. Esto explica que se entienda que en la columna T-101 se ha realizado una desmetanización de los alimentos cargados. 4.12 Presione la pestaña Pressure Changes de la librería de modelos, seleccione e instale el modelo Pump como una bomba y nómbrela como P-101. Conéctele la corriente FONDOS como la corriente de succión y una corriente de descarga de nombre F3. Especifique una corriente de descarga de 360 psia. Observe la Figura 10.

Figura 10. Presión de descarga de la columna P-101

4.13 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione e instale el botón RadFrac como una columna de destilación con rehervidor y condensador y nómbrela como T-102. 4.14 Reinicialice la simulación y conecte las corrientes de entrada y salida de la columna T-102 como lo muestra la Figura 11.

Figura 11. Columnas desmetanizadora (T-101) y desetanizadora (T-102)

4.15 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 14 etapas de equilibrio, condensador parcial vapor - líquido, flujo molar de destilado de 700 kmol/h y razón de reflujo de 2.5. Observe la Figura 12.

Figura 12. Configuración de la columna desetanizadora T-102

4.16 Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento F3 se carga por la etapa de equilibrio número 6 como se observa en la Figura 13.

Figura 13. Etapa de alimentación a la columna desetanizadora T-102

4.17 Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 360 psia como se observa en la Figura 14. 4.18 Presione la pestaña Condenser y especifique una fracción de vapor de 0.99 en la corriente de destilado. Observe la Figura 15.

4.19 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y

pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 16.

Figura 14. Presión de operación en la columna desetanizadora T-102

Figura 15. Fracción de vapor en el condensador parcial

Al observar los resultados se encuentra que las corrientes de tope (ETANOVAP y ETANOLIQ) contienen porcentajes de etano mayores que el 90 %. Esto explica que se entienda que en la columna T-102 se ha realizado una desetanización de los alimentos cargados.

Figura 16. Columnas T-101 y T-102

4.20 Presione la pestaña Pressure Changes de la librería de modelos, seleccione e instale el modelo Valve como una válvula y nómbrela como X-101. Conéctele la corriente FONDOS2 como la corriente de entrada y una corriente de descarga de nombre F4. Especifique una presión de descarga de 350 psia. Observe la Figura 17.

Figura 17. Presión de descarga de la válvula X-101

4.21 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, despliegue el botón RadFrac y seleccione e instale el modelo FRACT1 como una columna de destilación con rehervidor y condensador y nómbrela como T-103. Conecte sus corrientes de entrada como lo muestra la Figura 18 después de reinicializar la simulación.

Figura 18. Diagrama de flujo columnas T-101, T-102 y T-103

4.22 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-103 y especifique la Configuración de la columna con 24 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 240 kmol/h y razón de reflujo de 1. Observe la Figura 19.

Figura 19. Configuración de la columna despropanizador T-103

4.23 Presione la pestaña Streams de la opción T-10 y especifique que el alimento F4 se carga por la etapa de equilibrio número 11 como se observa en la Figura 20. 4.24 Presione la pestaña Pressure de la columna T-103 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 350 psia como se observa en la Figura 21.

Figura 20. Corrientes de alimentación y productos de la columna T-103

Figura 21. Presión de operación de la columna T-103

4.25 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 22. La Figura 23 muestra las composiciones de las corrientes de productos. La corriente de gas natural (METANO) contiene 97 % de metano y 2 % de etano, la corriente de etano líquido (ETANOLIQ) contiene 94 % de etano y 6 % de propano, la corriente de propano (PROPANO) contiene 90 % de propano y 8 % de butanos. Los fondos de la columna de

despropanizadora muestran un contenido apreciable de propano y los mas pesados que el propano.

Figura 22. Diagrama de flujo del proceso

Figura 23. Tabla de corrientes del proceso

5. CASOS DE ESTUDIO Hacer los cambios de condiciones en las columnas del proceso para conseguir mayores concentraciones en los productos de etano (vapor y líquido) y propano

24. COLUMNA CON RECTIFICADOR LATERAL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación con rectificador lateral para la separación de una mezcla dimetiléter, metanol y agua. 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación.

2. INTRODUCCIÓN La destilación sigue siendo uno de los procesos de separación de mayor uso dentro de la industria química; sin embargo, se caracteriza por requerir grandes cantidades de energía en los rehervidores. Teniendo en cuenta este aspecto, los esfuerzos de investigación en el área de diseño de procesos se han direccionado a obtener nuevos esquemas de separación que puedan presentar un ahorro sustancial en el consumo de energía. Dentro de los esquemas de destilación propuestos están las secuencias de destilación térmicamente acopladas, las cuales en el caso de la separación de mezclas ternarias han mostrado ahorros de energía entre 30 y 50% en comparación con las secuencias de destilación convencionales. Las secuencias de destilación con acoplamiento térmico que han sido más estudiadas en aspectos de consumo de energía son: la secuencia de destilación térmicamente acoplada a un rectificador lateral (TCDS-SR), la secuencia de destilación térmicamente acoplada a un agotador lateral (TCDS-SS), y la secuencia de destilación con acoplamiento térmico total también conocida como columna Petlyuk, estas dos últimas tratadas en otros instructivos. Estas tres secuencias de destilación con acoplamiento térmico compiten favorablemente en el consumo de energía en comparación con las clásicas secuencias de destilación convencionales en la separación de mezclas ternarias con bajo o alto contenido de componente intermedio.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere el diseño de una columna de destilación con rectificador lateral para separar la mezcla dimetil éter, metanol y agua, en la que se obtengan las especies dimetiléter y metanol con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Las condiciones de la corriente de alimento son 360 K; 11,08 atm; 100 Kmol/h; 35% molar de dimetil éter, 35% molar de metanol y 30% molar de agua. La columna opera a 11 atm con una caída de presión de 0,35 atm, tiene 51 etapas de equilibrio, es alimentada por la etapa número 11 y cargada con la corriente SALE-V1 por la etapa 32 y su relación de reflujo es de 8. El rectificador opera a 9 atm con una caída de presión

de 0,15 atm, tiene 15 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 15 y su relación de reflujo es de 3. Como se ha planteado, se considera que para la separación de esta mezcla es necesaria una columna de destilación con rectificador lateral. La columna dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total, mientras que el rectificador dispondrá que un condensador total. El análisis previo de la mezcla dice que entre los componentes de la mezcla no existen azeótropos.

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla dimetil éter, metanol y agua se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos. Determinación de azeótropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna con rectificador lateral” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos dimetil éter, metanol y aguacomo se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes dimetiléter, metanol y agua

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de UNIQUAC como el modelo termodinámico.Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado.

4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/AzeotropeSearch. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos dimetil éter, metanol y aguaentre los cuales se realiza el análisis.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

4.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de -24,78 °C, 64,43 °C y 100,02 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes permiten deducir que es una destilación fácil. El dimetiléter es un nodo inestable, el metanol es un nodo de silla mientras que el agua es un nodo estable.

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropos entre dimetil éter, metanol y agua

4.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente 4.8

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla dimetiléter, metanol y agua

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

UNIQUAC Dimetil éter, metanol y agua No hay MET

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-101 6.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono DECANT1 como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 6. 6.3 Despliegue el botón Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 7.

Figura 6. Diagrama de flujo de columna de destilación con salida lateral T-101

Figura 7. Especificaciones de la mezcla dimetil éter, metanol y agua en la corriente ALIMENTO

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 51 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 35,35Kmol/h y razón de reflujo de 8. Observe la Figura 8. 6.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 11 y que la corriente lateral (VAPOR) sale por la etapa 31 con un flujo molar de 34,4 Kmol/hr, como se observa en la Figura 9.

Figura 8. Configuración de la columna de destilación T-101

Figura 9. Etapa de alimentación y etapa de salida la corriente lateralde la columna de destilación T-101

6.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 11 atm y una caída de presión de 0,35 atm como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Presión de operación de la columna T-101

6.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Diagrama de flujo con resultados de la columna de destilación con salida lateral T-101

7. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – VÁLVULAV-101 7.1 Presione la pestaña PressureChanges de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Valve como una válvula y nómbrela como V-101. 7.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 12.

Figura 12.Diagrama de flujo de la válvula V-101

7.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción V-101 y especifique en la pestaña Operation la presión de salida de 9,16 atm. Observe la Figura 13.

Figura 13. Especificación de la válvula V-101

8. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – RECTIFICADOR T-102 8.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac instale el icono Rect como un rectificador lateral y nómbrelo como T-102. Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 14. 8.2

Figura 14. Diagrama de flujo del rectificador T-102

Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 15 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 30 Kmol/h y razón de reflujo de 3. Observe la Figura 15. 8.3

Figura 15. Configuración del rectificadorT-102

Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 15 como se observa en la Figura 16. 8.4

Figura 16. Etapa de alimentación al rectificador T-102

Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 9 atm y una caída de presión de 0,15 atm como se observa en la Figura 17. 8.5

Figura 17. Presión de operación del rectificador T-101

8.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 18.

Figura 18. Diagrama de flujo con resultados del rectificador T-102

9. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – BOMBA P-101 9.1 Presione la pestaña PressureChanges de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Pump como una bomba y nómbrela como P-101. Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 19. 9.2

Figura 19. Diagrama de flujo de la bomba P-101

Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción P-101 y especifique en la pestaña Specification la presión de descarga de 11,217 atm. Observe la Figura 20. 9.3

Figura 20. Especificación de la bomba P-101

9.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 21.

Figura 21. Diagrama de flujo con resultadosde la bomba P-101

10. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – LAZO DE RECICLO 10.1 Haga clik sobre el botón Reinitialize simulación.

de la barra de herramientas para reiniciar la

10.2 Conecte la corriente SALE-P1 a la columna de destilación con salida lateral T-101. 10.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique en la pestaña Streams que la corriente SALE-P1 se carga por la etapa de equilibrio 32. Observe la Figura 22.

Figura 22. Etapa de carga de la coriente SALE-V1 a la columna T-101

10.4 Cambie el simulador del modo Normal run (círculo rojo sobre la barra de herramientas al modo Automatic run círculo verde sobre la barra de herramientas y la simulación convergerá satisfactoriamente errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 23. 10.5 Presione el botón CheckResults que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 24 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes DME, METANOL y AGUA. La corriente DME contiene una pureza de 99,01% de dimetil éter. La corriente METANOL contiene una pureza de 99,00% de metanol.

Figura 23. Diagrama final de flujo de un proceso de destilación con rectificador lateral

Figura 24. Resultados de las corrientes del proceso

11. DESEMPEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN 11.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-101. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de

temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. Como se observa en la Figura 25.

Figura 25. Tabla TPFQ de la columna T-101.

11.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de dimetil éter y metanol en la fase vapor de la columna T-101. El resultado es el mostrado en la Figura 26.

Figura 26. Perfil de composiciónes a través de la columna T-101

11.3 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente al rectificador T-102. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de

datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. Como se observa en la Figura 27.

Figura 27. Tabla TPFQ del rectificador T-102.

11.4 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de metanol y agua en la fase vapor de la columna T-102. El resultado es el mostrado en la Figura 28.

Figura 28. Perfil de composiciónes a través del rectificador T-102

25. COLUMNA CON AGOTADOR LATERAL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación con agotador lateral para la separación de una mezcla dimetil éter, metanol y agua. 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación.

2. INTRODUCCIÓN La necesidad de obtener sustancias cada vez más puras para aplicaciones muy específicas, ha empujado a la industria química desarrollar técnicas que cumplan con ese cometido. La optimización de procesos, a su vez juega un rol conjunto es esta tarea. El uso de una sola columna de destilación para la separación de una mezcla ternaria es un avance en la aplicación de las operaciones unitarias ya que reduce significativamente los consumos energéticos además de los gastos de construcción de los equipos, pero lo es aún más cuando los requerimientos de pureza son muy elevados y esta columna, con una pequeña variación, los satisface. La adición de una unidad acoplada a una columna de destilación sencilla, genera grandes beneficios en cuanto se siguen obteniendo excelentes resultados con apenas un mínimo de aumento de requerimientos energéticos. La adición de agotadores y rectificadores laterales a columnas sencillas o a fraccionadores de petróleo les da un plus a estos procesos, además de ajustar los valores de especificaciones eficientemente.

3. PROCESO ESTUDIADO Se requiere el diseño de una columna de destilación con agotador lateral para separar la mezcla dimetil éter, metanol y agua, en la que se obtengan las especies dimetil éter y metanol con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Las condiciones de la corriente de alimento son 50 °C; 1137 kPa; 100 Kmol/h; 35% molar de dimetil éter, 35% molar de metanol y 30% molar de agua. La columna opera a 1115 kPa con una caída de presión de 35 kPa, tiene 52 etapas de equilibrio, es alimentada por la etapa número 32 y cargada con la corriente recirculada (SALE-V1) por la etapa 12 y su relación de reflujo es de 5,5. El agotador opera a 1122,54899 kPa sin caída de presión, tiene 6 etapas de equilibrio, se alimenta por la etapa número 1.

Como se ha planteado, se considera que para la separación de esta mezcla es necesaria una columna de destilación con agotador lateral. La columna dispondrá de un rehervidor parcial y un condensador total, mientras que el agotador dispondrá que un rehervidor parcial. El análisis previo de la mezcla dice que entre los componentes de la mezcla no existen azeótropos.

4. ANÁLISIS DE LA MEZCLA Para analizar las posibilidades de separación de la mezcla dimetil éter, metanol y agua se utilizará la herramienta disponible en Aspen Plus que permite determinar propiedades importantes de mezclas como es, en este caso, la formación de azeótropos. Determinación de azeotropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Columna con agotador lateral” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos dimetil éter, metanol y agua como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Selección de los componentes dimetil éter, metanol y agua

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de NRTL como el modelo termodinámico. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado.

4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/Azeotrope Search. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 2, después de seleccionar con la verificación los compuestos dimetil éter, metanol y agua entre los cuales se realiza el análisis.

Figura 2. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos

4.5 La Figura 3 muestra el resultado del análisis seleccionando la opción Pure Components de la rama Output. Se observan las temperaturas de ebullición a la presión especificada y la clasificación de cada componente. Los valores de -24,78 °C, 64,43 °C y 100,02 °C para las temperaturas de ebullición normal de los componentes permite deducir que es una destilación fácil. El dimetiléter es un nodo inestable, el metanol es un nodo de silla mientras que el agua es un nodo estable.

Figura 3. Clasificación de los componentes puros

4.6 La Figura 4 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output. La leyenda dice que no se encuentran azeótropos en el sistema.

Figura 4. Azeótropos entre dimetil éter, metanol y agua

4.7 La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Singular Points de la rama Output. Se observa que es toda la información reportada anteriormente.

Figura 5. Puntos singulares de la mezcla dimetil éter, metanol y agua

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

NTRL

Componentes:

Dimetiléter, metanol y agua

Reacciones:

No hay

Sistema de unidades:

MET

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T-101 6.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono DECANT1 como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 6. 6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO con los valores dados en el planteamiento del problema como se observa en la Figura 7.

Figura 6. Diagrama de flujo columna de destilación con salida lateral T-101

Figura 7. Especificaciones de la mezcla dimetil éter, metanol y agua en la corriente ALIMENTO

6.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 52 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 35,35 kmol/h y razón de reflujo de 5,5. Observe la Figura 8. 6.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 32 y que el líquido sale por la etapa 12 con un flujo molar de 59,35 Kmol/h, como se observa en la Figura 9.

Figura 8. Configuración de la columna de destilación T-101

Figura 9. Etapa de alimentación a la columna de destilación T-101

6.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 1115 kPa y una caída de presión de 35 kPa como se observa en la Figura 10. 6.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 11.

Figura 10. Presión de operación de la columna T-101

Figura 11. Diagrama de flujo con resultados de la columna de destilación con salida lateral T-101

7. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – AGOTADOR T-102 7.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono Strip1 como un agotador lateral y nómbrelo como T-102.

Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 12. 7.2

Figura 12. Diagrama de flujo del agotador T-102

Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 6 etapas de equilibrio, sin condensador, flujo molar de destilado de 25,4 Kmol/h. Observe la Figura 13. 7.3

Figura 13. Configuración del agotador lateral T-102

Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 1 como se observa en la Figura 14. 7.4

Figura 14. Etapa de alimentación al agotador lateral T-102

Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 1122,54899 kPa como se observa en la Figura 15. 7.5

Figura 15. Presión de operación del agotador lateral T-102

7.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Diagrama de flujo con resultados del agotador T-102

8. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – LAZO DE RECICLO 8.1 Haga clik en el botón Reinitialize simulación. 8.2

de la barra de herramientas para reiniciar la

Conecte la corriente REC-VAPO a la columna con salida lateral T-101.

8.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique en la pestaña Streams que la corriente REC-VAPO se carga por la etapa de equilibrio 12. Observe la Figura 17.

Figura 17. Etapa de carga de la coriente REC-VAPO a la columna T-101

8.4 Cambie el simulador del modo Normal run al modo Automatic run y la simulación convergerá satisfactoriamente errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 18.

Figura 18. Diagrama final de flujo de un proceso de destilación con agotador lateral

8.5 Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados.

Figura 19. Resultados de las corrientes del proceso

En la Figura 19 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes DME, METANOL y AGUA. La corriente DME contiene una pureza de 99,01% de dimetil éter. La corriente METANOL contiene una pureza de 99,02% de metanol.

9. DESEMPEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN 9.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna T-101. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. Como se observa en la Figura 20.

Figura 20. Tabla TPFQ de la columna T-101.

9.2 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de dimetil éter y metanol en la fase vapor de la columna T-101. El resultado es el mostrado en la Figura 21. 11.3 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente al agotador T-102. Se desplegará una ventana que contiene una tabla de

datos que muestran el desempeño de la columna de destilación. Por defecto, se despliega la ventana correspondiente a la pestaña TPFQ donde se observa etapa por etapa los valores de temperatura, presión, cargas calóricas, flujos de líquido y de vapor. Se pueden observar otras pestañas que reportan información sobre el desempeño de la columna. Como se observa en la Figura 22.

Figura 21. Perfil de composiciónes a través de la columna T-101

Figura 22. Tabla TPFQ del agotador T-102.

11.4 Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar el perfil de las concentraciones de dimetil éter y metanol en la fase vapor de la columna T-102. El resultado es el mostrado en la Figura 23.

Figura 23. Perfil de composiciónes a través de la columna T-102

26. SIMULACIÓN DE UN ARREGLO DISTRIBUIDO 1. OBJETIVO Simular la destilación, asistida por Aspen Plus® V8, de la mezcla benceno, tolueno y mxileno mediante un arreglo convencional de columnas en forma distribuida y comparar los resultados con los obtenidos haciendo la destilación con el arreglo Petlyuk.

2. INTRODUCCIÓN La Figura 1 muestra las diferentes combinaciones posibles de columnas convencionales de destilación utilizadas para separar mezclas tres componentes.

Figura 1. Configuraciones convencionales distribuidas para separar una mezcla de 3 componentes. Los condensadores se pueden cambiar por condensadores parciales, y en las calderas es posible sustituir la corriente de líquido que conecta dos columnas por una de vapor. Si bien las columnas con muro interior no siempre son adecuadas, en muchas ocasiones sí lo es la configuración de Petlyuk (no presenta el problema de la falta de balance hidráulico). O

algunas configuraciones de características intermedias entre las columnas convencionales y la secuencia de Petlyuk (pre-fraccionador, prefraccionador con un acoplamiento térmico, etc) que permiten utilizar servicios a temperaturas intermedias. Incluso en ocasiones la configuración óptima es simplemente una secuencia de columnas convencionales. El intervalo de condiciones en que es óptima cada una de las configuraciones presentadas en la Figura 1, depende fundamentalmente de las concentraciones de los componentes y de las volatilidades relativas de éstos (aunque también son factores importantes los valores relativos de los costes de energía y capital, la complejidad del sistema de control, etc). Intentando mejorar las prestaciones de las configuraciones presentadas en la Figura 1, diferentes autores han introducido modificaciones para mejorar algunos de los aspectos. Por ejemplo Agrawal y Fidkowski proponen utilizar configuraciones donde además el condensador pueda no ser total o parte del vapor generado en la caldera se introduzca directamente a la segunda columna. Estos autores dan además un mapa detallado de las pérdidas relativas en términos energéticos, de estas configuraciones respecto al sistema con acoplamiento térmico total (Petlyuk).

3. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE BENCENO, TOLUENO y m-XILENO Cuando se trata de separar una mezcla ternaria o multicomponente en tres productos, normalmente se usan dos torres de destilación (secuencias convencionales directa e indirecta). En muchos casos es más conveniente utilizar un arreglo distribuido de columnas de destilación (Figura 2), que contiene tres columnas en lugar de dos, con los fondos y los gastos generales de la segunda y tercera columna para la producción de B puro.

Condensador Parcial

Rehervidor Parcial

Figura 2. Arreglo convencional de columnas de destilación

Sin embargo, puede ser un arreglo útil en algunas circunstancias. En el nuevo diseño, las tres columnas pueden, en principio, operarse a diferentes presiones. Además, la distribución del producto B entre la segunda y tercera columna es un grado de libertad en el diseño. El adicionar la libertad para variar las presiones y la distribución del producto medio da más libertad significativa para variar las cargas y los niveles en los que se añade el calor o se rechaza de la destilación. Para este arreglo, en la primera columna (21 etapas) por el tope emerge el más volátil (en nuestro caso Benceno) y cierta fracción del componente intermedio (Tolueno) donde se utiliza un condensador parcial y en el fondo emerge todo el componente menos volátil (mxileno) con fracción de tolueno, lo que sale por el tope de la primera columna es enviado a una segunda torre (27 etapas) que tiene como producto de tope Benceno y como producto de fondo el tolueno que se alimentó a la torre. El producto de fondo de la primera columna es alimentado a una tercera columna en donde en el tope se recupera la parte del tolueno contenida en el producto de fondo de la primera torre y en el fondo emerge el producto más pesado que en este caso es m-xileno.

4. PAQUETE FLUIDO. En esta simulación el paquete fluido utilizado es la ecuación de estado Peng Robinson, recomendado para la mayoría de aplicaciones en donde existan hidrocarburos (saturados, insaturados o aromáticos). Los componentes son: benceno, tolueno y m-Xileno.

5.

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO.

A continuación se simulara la separación de la mezcla ternaria de Benceno, Tolueno y Mxileno en un arreglo de destilación distribuida. Alimentación: Instale una corriente de materia, denomínela ALIMENTO y asígnele como especificaciones 129,2°C; 150 KPa; 87,88 kgmol/h de Benceno; 338,12 Kgmol/h de tolueno y 375,8 Kgmol/h de m-Xileno. Columna de destilación 1: instale una columna de destilación y denomínela C1. Asigne las especificaciones con el asistente, siguiendo los pasos mostrados en la Figura 3 (Configuration: 21 etapas de equilibrio, condensador parcial – vapor, flujo de destilado 350 kmol/hora y razón de reflujo molar 15), Figura 4 (Streams: etapa de la corriente ALIMENTO 14, etapa de la corriente VAPOR1 1 y etapa de la corriente LIQUIDO1 21) y la Figura 5 (Pressure: presión en el tope 120 kPa y caída de presión en la columna 40 kPa).

Con estas especificaciones se consigue una convergencia satisfactoria de la primera columna. En la Figura 6 se puede observar el perfil de concentraciones por etapas en donde la mayor parte del benceno alimentado sale por el tope y casi todo el m-xileno sale por el fondo.

Figura 3. Especificaciones de la configuración de la columna C1

Figura 4. Especificaciones de las corrientes de la columna C1

Figura 5. Especificaciones de las presiones en la columna C1

Figura 6. Perfil de concentración por etapas en la Columna C1

Columna de destilación 2: instale una columna de destilación y denomínela T-101. Asigne las especificaciones con el asistente, siguiendo los pasos mostrados en la Figura 7 (Configuration: 18 etapas de equilibrio, condensador total, flujo de destilado 88.51 kmol/hora y razón de reflujo molar 10), Figura 8 (Streams: etapa de la corriente VAPOR1

10, etapa de la corriente BENZENO, 1 y etapa de la corriente TOLUENO 18) y la Figura 9 (Pressure: presión en la etapa 10, 120 kPa).

Figura 7. Especificaciones de la configuración de la columna T-101

Figura 8. Especificaciones de las corrientes de la columna T-101 Con estos valores se consigue la convergencia inmediata de la columna. En la Figura 10 se puede observar el perfil de concentraciones por etapas en donde se puede observar un

producto de tope con una pureza alta en benceno y un producto de fondo con una pureza alta en tolueno por el fondo pero que no alcanza a un 100 %

Figura 9. Especificaciones del perfil de presión en la columna T-101

Figura 10. Perfil de concentración por etapas en la columna T-101

Columna de destilación 3: instale una columna de destilación y denomínela T-102. Asigne las especificaciones con el asistente, siguiendo los pasos mostrados en la Figura 11 (Configuration: 25 etapas de equilibrio, condensador total, flujo de destilado 75.5 kmol/hora y razón de reflujo molar, 13), Figura 12 (Streams: etapa de la corriente LIQUIDO1, 13, etapa de la corriente TOLUENO2, 1 y etapa de la corriente M-XYLENO 25) y la Figura 13 (Pressure: presión en la etapa 13, 1.6 bares). Con estos valores se consigue la convergencia inmediata de la columna T-102. La Figura 14 muestra el diagrama de flujo del arreglo convencional distribuido de tres columnas de destilación para la separación de una mezcla compuesta de benceno, tolueno y m-xileno. En la Figura 15 se puede observar el perfil de concentraciones por etapas en donde se puede observar una pureza alta en tolueno en el producto de tope y una alta pureza en m-xileno en el producto de fondo.

Figura 11. Especificaciones de la configuración de la columna T-102

Figura 12. Especificaciones de las corrientes de la columna T-102

Figura 13. Especificaciones del perfil de presión en la columna T-102

Figura 14. Diagrama de flujo del proceso de separación convencional distribuido

Perfiles de composiciones Las Figuras 15 muestran los perfiles de las composiciones de benceno, tolueno y m-xileno a través de cada una de las etapas de equilibrio en la columna T-102. Se observa un producto de tope con una pureza del 100 % con respecto al tolueno y un producto de fondo con una alta pureza en m-xileno pero que no alcanza el 100 %.

Figura 15. Perfil de composiciones en la columna T-102

Desempeño de las etapas de tope (condensador) y fondo (rehervidor) en la columna C2 Las Figuras 16, 17 y 18 muestran los resultados arrojados por el simulador en cuanto al desempeño en la etapa de tope y en el condensador en las columnas C1, T-101 y T-102, respectivamente.

Figura 16. Resultados de la simulación sobre el desempeño de la columna C1

Figura 17. Resultados de la simulación sobre el desempeño de la columna T-101

Figura 18. Resultados de la simulación sobre el desempeño de la columna T-102 Al totalizar los flujos calóricos requeridos en los tres condensadores se observa que, en el proceso de separación mediante un arreglo convencional distribuido de tres columnas de

destilación simple se requiere un alto servicio de enfriamiento mientras que en el arreglo de Petlyuk no hay requerimientos por este concepto. En forma similar, si se totalizan los flujos calóricos requeridos en los tres rehervidores es considerablemente mayor que el que se requiere en el arreglo de Petlyuk. En conclusión, con el arreglo de Petlyuk se gana en ahorra energético y en la calidad de los productos, especialmente el enriquecido en tolueno.

27. SIMULACIÓN DE UN ARREGLO PREFRACCIONADOR 1. OBJETIVO. Simular satisfactoriamente, en estado estacionario, una columna de destilación con prefraccionador lateral asistida por Aspen Plus V8.

2. INTRODUCCIÓN. La destilación es la operación de separación más ampliamente usada para la mayoría de las mezclas de fluidos. Desafortunadamente, las columnas de destilación requieren una gran cantidad de energía para lograr la separación deseada. Como resultado, la búsqueda de esquemas de destilación energéticamente eficientes es un reto actual en ingeniería. Una manera de reducir la demanda de energía en destilación es usando secuencias de destilación térmicamente acopladas. Un importante esfuerzo se ha enfocado en el desarrollo de nuevos diseños y métodos de optimización para columnas de destilación térmicamente acopladas, las cuales pueden proporcionar ahorros de energía significativos en el costo total anual para la separación de algunas mezclas multicomponentes, en comparación con las secuencias de destilación clásicas basadas en columnas convencionales. Una secuencia de destilación térmicamente acoplada muy importante es el arreglo prefraccionador), que usa un prefraccionador con un condensador parcial y un rehervidor parcial (Figura 1).

Prefraccionador lateral

Columna principal Condensador Total

A/B

M+1

V1

M

N

A

Divisor de corrientes

Sección Superior

N

L1

L2

B

M +1

T+1

M 1

T

V2 S+1

B/C

S

Sección Inferior

F

1

Rehervidor Parcial C

Figura 1. Arreglo PREFRACCIONADOR

Esta secuencia de destilación ha sido implementada en algunas industrias químicas, y los ahorros reportados en los costos de energía y capital han sido de alrededor del 30 % en la mayoría de los casos. La eficiencia termodinámica de estas columnas se ha atribuido a la ausencia de retromezclado en la columna principal; por ejemplo, la corriente lateral es colocada donde está localizado el valor de concentración máximo del perfil composición del componente intermedio.

3. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE BENCENO, TOLUENO Y m-XILENO Cuando se trata de separar una mezcla ternaria o multicomponentes en tres productos, normalmente se usan dos torres de destilación (secuencias convencionales directa e indirecta). En el caso del arreglo prefraccionador (Figura 1), la forma de separar los componentes es diferente a los sistemas convencionales. La alimentación F compuesta de tres componentes A, B y C se introduce a un prefraccionador, el cual hace una escisión inicial entre el componente más volátil y el más pesado. La composición del componente intermedio se distribuye entre el tope y el fondo del fraccionador. La columna principal se puede dividir en dos secciones, la sección superior a la corriente de producto B de la Figura 1, y la sección inferior a la corriente B. La sección superior tiene una alimentación de vapor saturado y una corriente lateral líquida que es el reflujo del prefraccionador, mientras que la sección inferior tiene una alimentación de líquido saturado y una corriente lateral en forma de vapor. Cada una de las secciones de la columna principal realiza una separación entre compuestos adyacentes. Además, si la separación que se realiza en el prefraccionador es lo más perfecta posible, se puede considerar como una separación binaria. Finalmente lo que se obtiene son tres corrientes de productos: el destilado A, la corriente lateral B y el fondo C. Teóricamente se puede alcanzar cualquier pureza deseada en cada uno de los productos. El arreglo prefraccionador que se simula en este instructivo (Figura 11) es utilizado para la separación de la mezcla ternaria benceno, tolueno y m-xileno. El prefraccionador lateral tiene una alimentación es de 801,8 kg-mol/h, y entra por la etapa 7 de una sección de 21 etapas. La columna principal del sistema posee 89 etapas. Una corriente lateral de líquido se retira de la etapa 15 y se introduce en el tope del prefraccionador. Al mismo tiempo, de la etapa 83 de la columna principal se retira vapor saturado para alimentar el prefraccionador por fondo. El acople lateral recircula por el tope vapor, hacia la misma etapa de donde proviene la corriente lateral de líquido de la columna principal, i. e., la etapa 15. La corriente líquida de fondo del prefraccionador, también es enviada de vuelta a la columna principal, hacia la misma etapa de donde proviene la corriente lateral de vapor de la columna principal, i. e., la etapa 83.

En el destilado de la columna principal se obtiene benceno como producto. En el fondo se obtiene m-Xileno y por una corriente lateral tomada de la etapa 28 se obtiene tolueno. La composición de la alimentación al proceso es de 11% molar de benceno, 42% molar tolueno, y el resto es m-Xileno. El destilado de la columna principal tiene una pureza de 99,98% molar de benceno. La corriente de fondo de la columna está compuesta por m-Xileno principalmente y tiene una impureza de 1% molar de tolueno. La concentración de benceno y m-Xileno en la corriente lateral de es insignificante, debido a que estas especies se encuentran más concentradas en el tope y fondo respectivamente, como muestra el perfil de concentraciones de la Figura 12b.

4. PAQUETE FLUIDO. En esta simulación el paquete fluido utilizado es la ecuación de estado Peng Robinson, recomendado para la mayoría de aplicaciones en donde existan hidrocarburos (saturados, insaturados o aromáticos). Los componentes son: benceno, tolueno y m-Xileno.

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO. Se consigue una convergencia del proceso comenzando por asumir unas especificaciones para las corrientes laterales de vapor y líquido, que provienen de la columna principal. Esto permitirá obtener del prefraccionador lateral las corrientes de vapor y líquido que serán alimentadas de vuelta a la columna principal. A continuación se simulan en forma secuencial el prefraccionador, la columna de destilación y finalmente los lazos de recirculación para completar el arreglo prefraccionador. Corriente de Alimentación: Instale una corriente de materia, denomínela ALIMENTO (Figura 2) y asígnele como especificaciones 129,2°C; 150 KPa; 87,88 kgmol/h de Benceno; 338,12 Kgmol/h de tolueno y 375,8 Kgmol/h de m-Xileno. Luego instale dos corrientes de materia con los nombres de VAPOR1 y LIQUIDO1. A VAPOR1 (Figura 3) asígnele las especificaciones supuestas de 155,4°C; 176,4 kPa; 492,9 Kgmol/h; 0,0051 de benceno; 0,3418 de tolueno y 0,6531 de m-Xileno. Y luego, a LIQUIDO1 (Figura 4) asígnele las especificaciones supuestas de 114°C; 126,9 kPa; 290,1 Kgmol/h; 0,1028 de benceno; 0,8930 de tolueno y 0,0042 de m-Xileno.

Figura 2. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

Figura 3. Especificaciones de la corriente VAPOR1

Figura 4. Especificaciones de la corriente LIQUIDO1

Columna de absorción (Columna prefraccionadora): primero se instala una columna de absorción (Modelo RadFrac) con el nombre C1 sin condensador ni rehervidor y se le conectan las corrientes ALIMENTO, VAPOR1, LIQUIDO1, VAPOR2 y LIQUIDO2 como se observa en la Figura 11. La columna tiene 21 etapas de equilibrio (Ver Figura 5). Las corrientes de alimentación a la columna se cargan así: ALIMENTO (Etapa 7), LIQUIDO1 (Etapa 1) y VAPOR1 (Etapa 21). Las corrientes que salen como productos se remueven así: VAPOR2 (Etapa 1) y LIQUIDO2 (Etapa 21). Obsérvese la Figura 6 que muestra el panel para las especificaciones de las corrientes de la columna. En la Figura 7 se muestra el panel donde se especifican que la columna opera a una presión de 120 kPa (presión en el condensador) y que la caída de presión a lo largo de la columna es de 40 kPa.

Figura 5. Página Configuration de la columna C1

Figura 6. Página Streams de la columna C1

Con lo anterior, la columna queda completamente especificada y al hacer correr la simulación se observa que se consigue una solución con una convergencia satisfactoria. La Figura 8 muestra los resultados sobre las especificaciones de las corrientes. Se observa que la corriente LIQUIDO2 muestra una composición notoria de tolueno y m-xileno y muy poco contenido de benceno mientras que la corriente VAPOR2 muestra un contenido bastante bajo en mxileno y un gran contenido de benceno y tolueno

Figura 7. Página Pressure de la columna C1

Figura 8. Resultados de la simulación de la columna C1

Columna de destilación (Columna principal): instale una columna de destilación y denomínela C2. Contiene 89 etapas de equilibrio enumeradas desde el fondo. El condensador es total y dentro de las especificaciones que se requieren para completar los 5 grados de

libertad se asigna al destilado un flujo de 88.512 kmol/h y a la razón de reflujo un valor de 40. (Observe la Figura 9).

Figura 9. Página Configuration de la columna C2

Las corrientes de tope y fondo son BENCENO y M-XYLENO, respectivamente. La corriente VAPOR2 entra por la etapa 15 y la corriente LIQUIDO2 entra por la etapa 83. Estas son las etapas de interconexión. La columna tiene tres corrientes laterales donde dos son la de reciclo que entran a la columna C1 como son la corriente LIQUIDO1 y la corriente VAPOR1 y la tercera es la del producto intermedio llamada TOLUENO. La corriente LIQUIDO1 sale por la etapa 15, la corriente VAPOR1 sale por la etapa 83 y la corriente TOLUENO sale por la etapa 61. La primera y la última saldrán como fases líquidas y la segunda obviamente como fase vapor. (Observe la Figura 10). La presión es 1,2 bar en la etapa 15 y 1,6 bar en la etapa 83 de la columna. El condensador y el rehervidor no poseen caídas de presión. (Observe la Figura 11)

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO. Con lo anterior la columna C2 queda completamente especificada, de tal manera que al hacer correr la simulación se alcanza una convergencia completamente satisfactoria. El diagrama de flujo final es el que se observa en la Figura 12. Especificaciones de las corrientes En la Figura 13 se muestra la tabla que contiene el resumen de las especificaciones de las corrientes arrojado como resultado de la simulación.

Figura 10. Página Streams de la columna C2

Figura 11. Página Pressure de columna C2

Se observa en la Figura 13 que los productos obtenidos de benceno, tolueno y m-xileno presentan composiciones de un poco más del 99 % mol.

Figura 12. Arreglo prefraccionador completo

Figura 13. Resultados de la simulación: Especificaciones de las corrientes

Perfiles de composiciones Las Figuras 14 a y b muestran los perfiles de las composiciones de benceno, tolueno y mxileno a través de cada una de las etapas de equilibrio en las columnas C1 y C2, respectivamente. Un aspecto importante a notar en la Figura 14 b es que la concentración del tolueno en las etapas 20 a la 70 es máxima en el perfil de concentración del componente (línea verde) y es en esta parte de la curva en donde la corriente lateral es obtenida. Esto garantiza un buen diseño con respecto al consumo de energía.

Figura 14 a. Perfil de composiciones en el Prefraccionador lateral

Figura 14 b. Perfil de composiciones en la Columna principal

Desempeño de las etapas de tope (condensador) y fondo (rehervidor) en la columna C2 Las Figuras 15 a y b muestra los resultados arrojados por el simulador en cuanto al desempeño en la etapa de tope y en el condensador en las columnas C1 y C2, respectivamente.

Figura 15 a. Desempeño de la etapa de tope y de fondo en la columna C1

Figura 15 b. Desempeño de la etapa de tope y de fondo en la columna C2

Se resalta que en la columna C1 no se requieren necesidades de servicio de enfriamiento en el condensador y de servicio de calentamiento en el rehervidor, debido a que el tipo de columna utilizada en la simulación no lo incluye. En la columna C2 se requiere un servicio

de enfriamiento de – 7.26 x 106 cal/segundo en el condensador, mientras que en el rehervidor se requiere un servicio de calentamiento de 7.38 x 106 cal/segundo. En la próxima lección se desarrolla la simulación de la destilación de la misma mezcla compuesta de benceno, tolueno y m-xileno mediante un arreglo de columnas convencionales en forma distribuida con el objeto de comparar la ventaja energética que representa la utilización de un arreglo prefraccionador y verificar que los requerimientos energéticos son menores cuando se utiliza el arreglo prefraccionador.

28. PRESSURE SWING DISTILLATION 1. OBJETIVOS. Simular satisfactoriamente, en estado estacionario, la destilación azeotrópica de una mezcla binaria por cambio de presiones asistida por Aspen Plus®.

2. INTRODUCCIÓN. El cambio de presión puede ser utilizado en algunos sistemas homogéneos para azeótropos binarios, cuyas composiciones azeotrópicas cambian de forma significativa con la presión. Aunque no es posible separar una mezcla de este tipo en una columna de destilación simple, a veces es posible lograr la separación mediante dos columnas de destilación, sin añadir otros componentes como solventes o entrainers ligeros o pesados. La idea básica es operar la primera columna a baja presión y la segunda columna a alta presión. Uno de los componentes saldrá por uno de los extremos de la columna de baja presión. Si el azeótropo es de temperatura de ebullición mínima, este saldrá por el tope y la corriente de producto por el fondo. La composición del destilado será muy cercana a la composición del azeótropo a la presión de operación. Si el azeótropo es de temperatura de ebullición máxima, este saldrá por el fondo y la corriente de producto por el tope. Luego el azeótropo es alimentado a la segunda columna de alta presión, en la cual ocurre una separación similar, con la excepción de que ahora, el otro componente se recupera por uno de los extremos de la columna y la corriente con la composición cercana al azeótropo de alta presión será removida por el otro extremo. La corriente con el azeótropo de alta presión es alimentada de vuelta a la columna de baja presión.

3. PROCESO DE SEPARACIÓN DE LA MEZCLA ACETONA-METANOL MEDIANTE DESTILACIÓN AZEOTROPICA POR CAMBIO DE PRESIONES. A la presión atmosférica, las temperaturas de ebullición normales para ambos componentes son 329,2 K para Acetona y 337.8 K para el Metanol. Sin embargo, la fase líquida es altamente no ideal y se forma un azeótropo con temperatura de ebullición mínima. La Figura 1 muestra este azeótropo, contiene 0,7787 molar de acetona y 0.2213 de metanol a 328,39 K. A 10 atm las temperaturas de ebullición para ambos componentes son 416,7 K para Acetona y 410,5 K para el Metanol, y como muestra la Figura 2, el azeótropo se ha “movido hacia la izquierda” del diagrama T-x-y. Las fracciones molares en el punto azeótropico a 10 atm son 0,3851 de Acetona y 0,6149 de Metanol a 407,49 K, indicando que las composiciones presentes en la mezcla alimentada a la segunda columna de alta presión, se encuentran

distantes del azeótropo, y por consiguiente se hace factible la separación por el cambio de presión. La destilación extractiva también es factible en este sistema usando agua como solvente.

Figura 1. Diagrama de equilibrio líquido - vapor T-x-y a 1 atm Mezcla Acetona-Metanol.

Figura 2. Diagrama de equilibrio líquido - vapor T-x-y a 10 atm Mezcla Acetona-Metanol.

El proceso tiene dos columnas que operan a dos presiones diferentes, una columna opera a una baja presión de 1 atm y la otra opera a una alta presión de 10 atm como se menciona anteriormente. La composición del alimento es de 50 % molar en acetona y de un flujo de 540 Kmol/h. Para esto se selecciona una columna de 51 platos teóricos. El alimento se introduce en el plato 37. Los grados de libertad resultantes se fijan al especificar una razón de reflujo de 2,84 y un flujo molar de destilado de 470 Kmol/h. El alimento tiene una presión de 1,55 atm y una temperatura de 320 K. Cuando se conoce el destilado de la primera columna (T-101), éste se alimenta a la segunda columna (T-102) por el plato 41. Esta columna tiene 61 platos, utiliza una razón de reflujo de 3,11 y se especifica con un flujo molar de destilado de 198 Kmol/h. La Bomba P-101 de la Figura 21 es vital para que DEST1 fluya a la columna de alta presión. Al converger la segunda columna, se instala la válvula V-101 para reducir la presión de la corriente de DEST2 y se instala un enfriador C-101, este dispositivo disminuirá temperatura de la corriente proveniente de V-101. Se reinicia la simulación para conectar la corriente de salida de C-101 (RECICLO) con la columna de baja presión (T-101). La corriente RECICLO se introduce en la columna de baja presión (T-101) en el plato 42.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Comprobación de azeótropos 4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Destilación azeotrópica binaria por cambio de presiones” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos acetona y metanol como se muestra en la Figura 3. 4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de WILSON como el modelo termodinámico. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.4 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/AzeotropeSearch. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 4, después de seleccionar con la verificación los compuestos acetona y metanol entre los cuales se realiza el análisis

Figura 3. Selección de los componentes acetona y metanol.

Figura 4. Información de entrada para la búsqueda de azeótropos.

La Figura 5 muestra el resultado del análisis al seleccionar la opción Azeotropes de la rama Output.

Figura 5. Resultados del análisis azeotrópico a 1 atm.

4.5 Para comprobar la sensibilidad a la presión de la mezcla binaria acetona-metanol, se repite el análisis a 10 atm. La Figura 6 muestra el resultado en la opción Azeotropes de la rama Output.

Figura 6. Resultados del análisis a 10 atm.

Conforme a los resultados de las Figura 5 y 6 se comprueba la sensibilidad a la presión que presenta la mezcla acetona-metanol.

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación: WILSON Componentes: Acetona y metanol Reacciones: No hay Sistema de unidades: MET

5.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono FRACT1como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 5.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo, y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 7.

Figura 7. Diagrama de flujo de columna de destilación de baja Presión T-101

5.3 Despliegue el botón Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENT1 como se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones de la mezcla acetona y metanol corriente ALIMENT1

5.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 51 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 470 Kmol/h y razón de reflujo de 2,84. Observe la Figura 9.

Figura 9. Configuración de la columna de destilación T-101

5.5 Presione la pestaña Streams de la opción T-101 y especifique que el alimento se carga por la etapa de equilibrio número 37 y las corrientes de producto se remueven por las etapas 1 y 51 como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Etapas de alimentación y salidas de corrientes de la columna T-101

5.6 Presione la pestaña Pressure de la opción T-101 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 1 atm y una caída de presión de 0,72 atm como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Presión de operación de la columna T-101

5.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen Plus abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen Plus indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. 5.8 Presione el botón CheckResults que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run

Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 12 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes ACETONA Y METANOL. La corriente METANOL contiene una pureza de 99,99% de metanol.

Figura 12. Resultados de las corrientes del proceso

6. BOMBEO A LA COLUMNA DE ALTA PRESIÓN 6.1 Presione la pestaña PressureChanges de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Pump como una bomba y nómbrela como P-101. 6.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 13 6.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción P-101 y especifique en la pestaña Specification un aumento de presión de 9,7 atm. Observe la Figura 14.

7. COLUMNA DE ALTA PRESIÓN 7.1 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 61 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 198 Kmol/h y razón de reflujo de 3,11. Observe la Figura 15.

Figura 13. Diagrama de flujo de la P-101 y la Columna de alta presión T-102

Figura 14. Especificación de la bomba P-101

Figura 15. Configuración de la columna de destilación T-102.

7.2 Presione la pestaña Streams de la opción T-102 y especifique que el alimento 2 se carga por la etapa de equilibrio número 41 y que los productos se remueven por las etapas 1 y 61 como se observa en la Figura 16.

. Figura 16. Etapa de alimentación y de salidas de la columna de destilación T-102.

7.3 Presione la pestaña Pressure de la opción T-102 y especifique que la presión en la etapa 1 o el condensador es de 10 atm y una caída de presión de 0,96 atm como se observa en la Figura 17.

Figura 17. Presión de operación de la columna T-102.

7.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen Plus abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen Plus indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias.

8. LAZO DE RECIRCULACIÓN Válvula V-101 8.1 Presione la pestaña PressureChanges de la librería de modelos, seleccione e instale el bloque Valve como una válvula y nómbrela como V-101. 8.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 18.

Figura 18. Diagrama de flujo con V-101

8.3 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción V-101 y especifique en la pestaña Operation la presión de salida de 1,78 atm. Enfriador C-101 8.4 Instale un enfriador y nómbrelo C-101, seleccionando un Heater en la pestaña Heat Exchangers. Conecte la corriente SalV-101 como entrada y seleccione la corriente RECICLO como la salida. En la carpeta Blocks del Data Browser seleccione el bloque C-101y en la página Specifications digite una temperatura de 337 K y una caída de presión de 0,18 atm como se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Especificación del enfriador C-101

Lazo de recirculación 8.5 Haga clic sobre el botón Reinitialize de la barra de herramientas para reiniciar la simulación. 8.6 Conecte la corriente RECICLO a la columna de destilación de baja presión T-101. 8.7 Despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique en la pestaña Streams que la corriente RECICLO se carga por la etapa de equilibrio 42. Observe la Figura 20.

Figura 20. Etapa de carga de la coriente RECICLO a la columna T-101

8.8 Cambie el simulador del modo Normal run (círculo rojo sobre la barra de herramientas al modo Automatic run círculo verde sobre la barra de herramientas y la simulación convergerá satisfactoriamente errores ni advertencias. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 21.

Figura 21. Diagrama de flujo final de un proceso de destilación azeotrópica binaria 8.9 Presione el botón CheckResults que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 22 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes ACETONA y METANOL. La corriente METANOL contiene una pureza de 99,57% de metanol. La corriente ACETONA contiene una pureza de 98,85% de acetona.

Figura 22. Resultados finales de las corrientes del proceso.

9. PERFILES DE TEMPERATURA, PRESIÓN Y COMPOSICIONES EN AMBAS COLUMNAS. 9.1 Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a cada columna. Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar los perfiles de temperatura, presión y concentraciones de acetona y metanol en las columnas T-101 y T-102. El resultado es el mostrado en la Figura 23. 24. y 25., respectivamente.

a)

b)

Figura 23. Perfil de temperatura: a) Columna de baja presión. b) Columna de alta presión.

a)

b)

Figura 24. Perfil de Presión: a) Columna de baja presión. b) Columna de alta presión.

a)

b)

Figura 25. Perfil de Composiciones: a) Columna de baja presión. b) Columna de alta presión.

29. DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA HOMOGÉNEA. 1. OBJETIVO. Simular satisfactoriamente en estado estacionario la separación de una mezcla binaria azeotrópica que al añadirle un tercer componente muestra un estado azeótropico homogéneo, mediante el uso del simulador de procesos Aspen Plus ®.

2. INTRODUCCIÓN. Cuando dos o más componentes son mezclados, las interacciones moleculares pueden causar que la mezcla forme cierta composición ‘inseparable’ donde la composición del vapor y del líquido es igual dentro de un rango de presión de temperatura. Esta composición de la mezcla es llamada azeótropo, fenómeno que es más común de lo que se cree. Los azeótropos juegan un rol importante en los procesos de separación en los cuales se involucra el equilibrio líquido - vapor, tales como la destilación, en forma similar al gran papel que representan los eutécticos y peritécticos en los procesos de separación mque involucran equilibrio líquido sólido, como la cristalización Para tener la capacidad de desarrollar procesos de separación para mezclas azeotrópicas, se necesita un gran conocimiento de los fenómenos fundamentales de los equilibrios de fase en mezclas azeotrópicas. La región liquido - vapor del diagrama T-x-y para una mezcla ternaria define la región de operación factible en la cual un proceso real de destilación debe operar. La existencia de un azeótropo complica la estructura de esta región de operación y el comportamiento de la mezcla a separar en el proceso puede ser muy complejo y limitado. El principal interés detrás del diagrama de equilibrio de fases azeotrópico es revelar todas las restricciones impuestas en el proceso de separación por la naturaleza misma de la mezcla. Los análisis realizados a estos diagramas proveen una visión importante para la selección óptima del método de separación y, el diseño y síntesis del sistema de destilación azeotrópica. Cuando el análisis del diagrama T-x-y de una mezcla ternaria muestra que en su estado azeotrópico existe un equilibrio entre una fase vapor y una fase líquido se dice que el estado azeotrópico es homogéneo y la mezcla es de estas características. Esto es determinante para decidir posibles alternativas de procesos de separación de la mezcla con el objeto de obtener cada uno de sus componentes con altos grados de pureza. Cuando el análisis del diagrama T-x-y de una mezcla ternaria muestra que en su estado azeotrópico existe un equilibrio entre una fase vapor y dos fases líquido, se dice que el estado azeotrópico es heterogéneo y la mezcla se caracteriza como una mezcla azeotrópica heterogénea. Las estrategias posibles para la separación de la mezcla con el objeto de obtener sus componentes puros con altas purezas está restringida por dicho comportamiento.

3. PROCESO DE SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA ETANOL - AGUA Se requiere diseñar un proceso para separar la mezcla azeotrópica etanol - agua utilizando como agente de separación externo el etilenglicol, en la que se obtengan las especies (etanol y agua) con el mayor grado de pureza posible. La mezcla se alimenta a una columna de destilación con un flujo de 100 kmol/hora, una temperatura de 78.29 °C, una presión de 1 bar y con un contenido de 85.64 % mol en etanol y 14.36 % mol en agua. El etilenglicol se alimenta por una etapa localizada por encima de la etapa de alimentación de la mezcla etanol – agua, se encuentra a una temperatura de 78.12 °C, una presión de 1 bar, con un flujo inicial de 500 kmol/hora y se encuentra completamente puro. Las dos especies presentes en la alimentación (etanol y agua) tienen un comportamiento no ideal porque a composiciones cercanas al 80% en etanol, se da la formación de un azeótropo de mínima (Ver Figura 1), limitando abruptamente el proceso separación. Se propone la utilización de un tercer componente, en este caso etilenglicol, que tiene la capacidad de separar selectivamente a una de las especies de la corriente de alimentación; la nueva especie se ingresa varias etapas por encima esta, y como producto de tope se obtiene acetona recuperada casi en su totalidad, mientras que por el fondo el agua y el metanol. Esta corriente de fondo puede ser enviada a una columna recuperadora de solvente la cual tiene como fin, obtener metanol y agua con alta pureza, esta última se puede recircular a la primera columna haciéndole una pequeña reposición de flujo por las pequeñas cantidades que se pudieron haber quedado en las otras dos corrientes.

Figura 1. Diagrama de equilibrio Etanol - agua a 1 bar. El mapa de curvas de residuo para la mezcla etanol – agua – etilenglicol para una presión de 1 bar se muestra en la Figura 2 y en él se observa que hay un azeótropo entre el etanol y el

agua y que al añadir etilenglicol a una mezcla de ellos la mezcla ternaria solo muestra el azeótropo binario entre etanol y agua y que solo se establece un equilibrio entre una fase vapor y una fase líquida, es decir que el estado azeotrópico es homogeneo

Figura 2. Curva de residuo – Sistema etanol – agua – etilenglicol a 1 bar.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO PAQUETE FLUIDO En Aspen Plus no es necesario introducir el paquete fluido para comenzar con la simulación. El simulador tiene la libertad de conformar el paquete fluido antes o después de colocar las corrientes y unidades del proceso a simular. En esta guía se procederá instalando el paquete fluido antes de comenzar a colocar las corrientes y las unidades.

Ecuación: UNIQUAC Componentes: Etanol, agua y etilenglicol Reacciones: No hay Sistema de unidades: METCBAR

4.1 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Destilación Azeotrópica Homogénea” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MATCBR de unidades de medida. 4.2 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos etanol, agua y etilenglicol como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Selección de los componentes Acetona, Metanol y Agua

4.3 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de UNIQUAC como el modelo termodinámico. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado.

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO – COLUMNA T - 101 Una vez introducido el paquete fluido se procede a la instalación de las corrientes y de las unidades del proceso: 5.1 Presione la pestaña Mixers/Splitters de la librería de modelos, seleccione Triangle e instalelo como un mezclador y nómbrelo como M - 101. 5.2 Despliegue el botón Material stream de la librería de modelos para activarlo, seleccionar la opción Material y conecte al mezclador M – 101 la corriente de entrada GLICOL y la corriente de salida MEZCLA como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Diagrama de flujo: Mezclador y columna T – 101

5.3 Despliegue el botón Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente GLICOL como se muestra en la Figura 5. (Temperatura 78.12 °C, Presión 1bar, Flujo 500 kmol/h, Fracción mol de glicol igual a uno).

Figura 5. Especificaciones de la corriente GLICOL

5.4 Instale otra corriente de materia y nómbrela como ALIMENTO. Especifíquela como se muestra en la Figura 6. (Temperatura 78.29 °C, Presión 1bar, Flujo 100 kmol/h, Composición molar 85.64 % etanol, 14.36 % agua).

Figura 6. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

5.5 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono FRACT1como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 5.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la página Configuración de la columna (22 etapas de equilibrio, Condensador total, Rehervidor de marmita (kettle), Flujo de destilado de 85.6 Kmol/h y Razón de reflujo molar 4). Observe la Figura 7.

Figura 7. Especificaciones de la configuración de la columna T-101

5.7 En la ventana Streams verifique que la corriente GLICOL entra por la etapa 8, la corriente ALIMENTO entra por la etapa 14, la corriente de tope denominada ETANOL sale por la etapa 1 y la corriente producto de fondo llamada FONDO sale

por la etapa 22, como se muestra en la Figura 8. Revise también que las corrientes de producto salen por los platos establecidos y en estado líquido.

Figura 8. Especificaciones de las corrientes de la columna T-101 5.8 Una vez realizado el paso anterior presione el botón Next que lo lleva a la pestaña Pressure, en esta pestaña introduzca un valor de 1 bar para la presión de tope como se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Especificación de la presión de operación de la columna T-101

5.9 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen Plus abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la

simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen Plus indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias.

6. SIMULACIÓN DE LA COLUMNA T - 102 6.1 Reinicialize la simulación realizada anteriormente e instale otra columna de destilación y llámela T-102. Esta tendrá de alimento la corriente llamada FONDO que sale como producto de fondo de la columna T-101. La corriente producto de tope se denomina ETANOL y la corriente producto de fondo se le llama RECICLO. Esta última corriente se conecta al mezclador M-101 como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Diagrama de flujo con las columnas T-101 y T-102

6.2 Despliegue la página Configuration de la columna T-102 y especifíquela como se observa en la Figura 11 (10 etapas de equilibrio, Condensador total, Rehervidor de marmita (kettle), Flujo de la corriente de fondo 350 Kmol/h y Razón de reflujo molar 16). 6.3 Despliegue la página Streams de la columna T-102 y especifíquela como se observa en la Figura 12 (corriente FONDO entra por la etapa 5, la corriente de tope denominada AGUA sale por la etapa 1 y la corriente producto de fondo llamada RECICLO sale por la etapa 10). Las corrientes de producto salen en fase líquida. 6.4 Despliegue la página Pressure de la columna T-102 y especifíquela como se observa en la Figura 12 (introduzca un valor de 1 bar para la presión de tope, en forma similar a como se hizo con la especificación de la columna T-101).

Figura 11. Especificación de la configuración de la columna T-102

Figura 11. Especificación de las corrientes de la columna T-102

Con todo lo anterior el diagrama de flujo queda completamente especificado y se puede proceder a ejecutar su simulación. Las referencias bibliográficas que explican este proceso de obtener etanol de alta pureza utilizando como agente externo de separación el etilen glicol sugieren que el flujo de entrada de glicol sea considerablemente pequeño y, además, los ensayos realizados para lograr una simulación con una convergencia sugieren que el flujo de la corriente RECICLO que sale como producto de fondo también sea bajo. Se sugiere asignar

un flujo de 1 kmol/hora a la corriente GLICOL y asignar una especificación a la columna T102 de un flujo de corriente de fondo de 20 kmol/hora y luego ensayar aumentos no muy grandes (de 50 en 50) hasta encontrar unos resultados satisfactorios en lo que respecta a las purezas de los productos ETANOL y AGUA. Finalmente, como una especificación para el flujo de la corriente GLICOL de 1 kmol/hora y flujo de la corriente de fondo de la columna T-102 de 350 kmol/hora se obtiene un producto de etanol (CORRIENTE ETANOL) del 99.98 % molar, un flujo para la corriente de producto AGUA del 93.2 % molar y una corriente de reciclo con un contenido del 100 % molar en etilenglicol (Ver Figura 12). El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 13

Figura 12. Resultados de las corrientes de productos

Figura 13. Diagrama de flujo del proceso de separación de la mezcla etanol – agua utilizadon como agente de separación etilenglicol

30. DESTILACIÓN EXTRACTIVA. 1. OBJETIVOS. Simular, satisfactoriamente en estado estacionario, la separación por destilación extractiva de una mezcla binaria azeotrópica, agregando una tercera especie al proceso mediante el uso del simulador de procesos Aspen Plus®.

2. INTRODUCCIÓN. La destilación es la técnica de separación más ampliamente usada en la industria de procesos químicos. Sin embargo, no todas las mezclas líquidas pueden ser separadas por destilación fraccionada ordinaria. Cuando los componentes de un sistema que va a separarse posee volatilidad relativa cercana a 1.0 (es decir, cercanos puntos de ebullición), la separación se vuelve un poco tediosa y costosa debido a la necesidad de un gran número de etapas y una alta relación de reflujo; tanto el costo de los equipos como de servicios serán notablemente altos y la destilación simple indudablemente será antieconómico. Si la mezcla presenta un azeótropo, una variedad de problemas se presentan ya que la composición azeotrópica limita la separación; en estos casos, el azeótropo debe ser eliminado para que ésta se pueda dar. En la mayoría de los casos se opta por la adición de un tercer agente, un agente de separación másica con el cual se pueda ya sea eliminar el azeótropo, desplazar el azeótropo, selectivamente remover uno de los componentes, o utilizar una técnica de separación distinta a la destilación. Para la destilación ordinaria de mezclas multicomponentes, la determinación de secuencias factibles, el diseño de columnas en secuencia y la optimización de las condiciones de operación son tareas bastante tediosas, pero de cierta forma sencillas. Por otra parte, la determinación y optimización de secuencias de destilación mejorada es considerablemente una tarea con mayor dificultad. Muchas técnicas de separación basadas en destilación mejorada han sido desarrolladas para sistemas de cercano punto de ebullición o de baja volatilidad relativa, y además para sistemas que exhiben comportamiento azeotrópico. Todas estas técnicas están fundamentalmente basadas en la misma diferencia de composición de las fases líquida y vapor tal como en la destilación ordinaria, pero, en adición, estos se basan en algunos mecanismos adicionales para modificar el comportamiento líquido-vapor del componente clave.

3. PROCESO DE SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA ACETONA - METANOL Se requiere diseñar una columna de destilación extractiva para separar la mezcla acetonametanol utilizando como agente extractor agua, en la que se obtengan las especies con el mayor grado de pureza posible, adoptando platos perforados. Se pretende que la columna opere a la presión atmosférica, que esté provista de un condensador total y que opere con una

relación de reflujo de 1,25 veces la relación de reflujo mínima. Las condiciones de la corriente de alimentación son 25°C; 1 atm (101,325 kPa); 100 Kmol/h; 50% molar de acetona y 50% molar de metanol; la corriente de solvente, está conformada únicamente por agua a 1 atm (101,325 KPa), 60°C y con un flujo 4 veces la corriente de alimentación. Las dos especies presentes en la alimentación tienen un comportamiento no ideal, a composiciones cercanas al 80% en acetona, se da la formación de un azeótropo de mínima (Ver Figura 1), limitando abruptamente el proceso separación. Se propone hacer uso de una columna de destilación extractiva en la que un tercer componente, en este caso agua caliente, tiene la capacidad de separar selectivamente a una de las especies de la corriente de alimentación; la nueva especie se ingresa varias etapas por encima esta, y como producto de tope se obtiene acetona recuperada casi en su totalidad, mientras que por el fondo el agua y el metanol. Esta corriente de fondo puede ser enviada a una columna recuperadora de solvente la cual tiene como fin, obtener metanol y agua con alta pureza, esta última se puede recircular a la primera columna haciéndole una pequeña reposición de flujo por las pequeñas cantidades que se pudieron haber quedado en las otras dos corrientes.

Figura 1. Diagrama de equilibrio Acetona-Metanol a 1 atm.

Las temperaturas normales de ebullición de los componentes de la mezcla de alimentación son 56,3°C para la acetona, 64,7°C para el metanol y 100°C para el agua, la poca diferencia entre estos puntos hace que la separación sea un poco complicada, además el hecho de que ocurran interacciones de puente de hidrógeno por la naturaleza de las sustancias. El agua logra arrastrar selectivamente el metanol debido a que las interacciones que ocurren entre el metanol y el gua son más fuertes, y aun así en esta nueva pareja el comportamiento es bastante

ideal ya que no ocurre la formación de azeótropos (ver Figura 2), lo que facilita la separación por una destilación ordinaria, recuperando ambas especies.

Figura 2. Diagrama de equilibrio Metanol-Agua a 1 atm.

Ambas columnas contarán con un condensador total y un rehervidor parcial, de distintas dimensiones por la cantidad de materia que manejan cada uno.

4. PAQUETE FLUIDO En Aspen Plus no es necesario introducir el paquete fluido para comenzar con la simulación. El simulador tiene la libertad de conformar el paquete fluido antes o después de colocar las corrientes y unidades del proceso a simular. En esta guía se procederá instalando el paquete fluido antes de comenzar a colocar las corrientes y las unidades.

Ecuación: SR-POLAR Componentes: Acetona, Metanol y Agua Reacciones: No hay Sistema de unidades: SI

Comprobación de Azeótropos 4.4 Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Destilación Extractiva” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema SI de unidades de medida. 4.5 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos acetona y metanol como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Selección de los componentes Acetona, Metanol y Agua

4.6 Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de SR-POLAR como el modelo termodinámico. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse para que el modelo quede satisfactoriamente especificado. 4.7 Despliegue el menú Tools, seleccione la opción Conceptual Design/AzeotropeSearch. Se despliega, entonces, una ventana como la que se muestra en la Figura 4, después de seleccionar con la verificación los compuestos acetona y metanol entre los cuales se realiza el análisis

Figura 4. Análisis azeotrópico de la mezcla Acetona-Metanol

Ahora se realiza el mismo procedimiento anterior pero esta vez seleccionando los componentes metanol y agua. Aspen comprueba que para esta mezcla no hay azeótropo como se observa en la Figura 5.

Figura 5. Análisis azeotrópico de la mezcla Metanol-Agua

Con base en las Figuras 4 y 5 se confirma la información dada anteriormente.

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Una vez introducido el paquete fluido se procede a la instalación de las corrientes y de las unidades del proceso:

5.1 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, seleccione RadFrac e instale el icono FRACT1como una columna de destilación y nómbrela como T-101. 5.2 Presione el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo, y elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 6.

Figura 6. Diagrama de corrientes de la primera columna

5.3 Despliegue el botón Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO como se muestra en la Figura 7. Para la corriente SOLVENTE introduzca las siguientes especificaciones: 60 °C, 1 atm, 400 kmol/h, Fracción de agua igual a uno.

Figura 7. Especificaciones de la corriente de alimento

5.4 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 73 etapas de equilibrio, condensador total, flujo molar de destilado de 50,7 Kmol/h y razón de reflujo de 3,5. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificaciones de la primera columna

5.5 En la ventana Streams verifique que la corriente de alimento ingresa en el plato 59 y la corriente solvente ingresa diez etapas por encima, como se muestra en la Figura 9. Revise también que las corrientes de producto salen por los platos establecidos. Nota: Asegúrese de que las corrientes de productos estén en las fases que se requieren. Para esta simulación ambas corrientes están en fase liquida

Figura 9. Corrientes de alimento y producto

5.6 Una vez realizado el paso anterior presione el botón Next que lo lleva a la pestaña Pressure, en esta pestaña introduzca un valor de 1 atm para la presión de tope como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Especificación de la presión de operación de la primera columna

5.7 Presione el botón Next de la barra de herramientas con lo cual Aspen Plus abrirá una ventana de diálogo en la cual indica que se han completado las especificaciones y pregunta si se quiere correr la simulación. Se presiona el botón Aceptar para correr la simulación. Se despliega, entonces, la ventana titulada Control Panel en donde Aspen Plus indica que la simulación ha sido completada sin errores ni advertencias. 5.8 Presione el botón CheckResults que es el icono de carpeta azul que aparece en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados. En la Figura 11 se muestra la tabla que muestra las composiciones de las corrientes ACETONA y FONDOS1. La corriente ACETONA contiene una pureza de 98,62% de acetona.

Figura 11. Resultados de las corrientes de tope y fondo de la primera columna

Para observar detalladamente los perfiles gráficos de temperatura y concentración a través de los platos de la columna, el simulador tiene la opción para hacerlos desplegar. Haciendo doble clic en la columna aparecerá una ventana como la que se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Ventana de especificaciones de la primera columna

Seleccione la opción Profiles que se encuentra dentro de la carpeta de resultados correspondiente a la columna. Despliegue el menú Plot y seleccione la opción Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar los perfiles de temperatura, presión y concentraciones (observe las Figuras 13 y 14).

Figura 13. Asistente de gráficas de Aspen Plus

Figura 14. Asistente de gráficas de Aspen Plus.

Una vez finiquitados los pasos anteriores se pueden desplegar las siguientes gráficas que muestran los perfiles de temperatura, composición y flujo a través de la columna:

Figura 15. Perfil de temperaturas de la primera columna.

Figura 16. Perfil de composiciones de la primera columna.

Figura 17. Perfil de flujo de vapor y líquido en la primera columna.

En la Figura 15 se observa el gran cambio en el comportamiento de la columna con el ingreso de las dos corrientes de materia en las etapas 49 y 69 el cambio más apreciable ocurre en esta segunda ya que la temperatura de esta etapa debería ser más alta al estar más cercana al rehervidor. En la Figura 16 claramente se observa la aplicación de la teoría de la destilación

extractiva, la mezcla de la corriente de alimentación al entrar en contacto con la de solvente cambia inmediatamente la fracción molar del componente más volátil casi 4 veces. Por otro lado, aun cuando el flujo de vapor es aproximadamente constante, el de líquido si es apreciablemente diferente, por el hecho de que en la sección superior de la columna es únicamente acetona mientras que en el fondo están tanto el metanol como el agua. La corriente FONDOS1 que sale de la columna extractora debe ser enviada a una última columna de destilación para separación ordinaria del solvente agregado en la primera.

6. SIMULACIÓN DE LA COLUMNA RECUPERADORA DE SOLVENTE Instale en el caso la segunda unidad de destilación y llámela C2. Esta tendrá de alimento la corriente llamada FONDOS1 que sale como producto de fondo de la columna extractiva. La columna tiene 19 platos, el condensador del vapor de tope es total y se especifica un flujo de destilado de 49.6787 kmol/hr y una razón de reflujo molar de 3. Observe en la Figura 18 la ventana de especificaciones de la columna en su panel Configuration.

Figura 18. Especificaciones de la segunda columna

Presione el panel Streams y especifique que el alimento ingresa por la etapa 14 y los productos llamados METANOL (el de tope) y AGUA (el de fondo) se remueven por las etapas 1 y 19. Observe la Figura 19. Presione el panel Pressure y especifique que la presión en la columna (en el condensador) es de 1 atm. Observe la Figura 20.

Figura 19. Corrientes de entrada y salida en la segunda columna – Etapas

Figura 20. Especificaciones de la presión de operación de la segunda columna.

Una vez que se ha instalado la segunda columna se procede a instalar un mezclador el cual combina la corriente de fondo de la segunda columna con una corriente externa, estas corrientes combinadas se ingresan a la primera columna como la corriente SOLVENTE. Como el flujo de solvente necesariamente debe ser 4 veces el flujo de ALIMENTO, y en la corriente de fondo AGUA no se alcanza este valor, es necesario reponer dicha cantidad. La corriente externa llamada REPOAGUA se especifica con los siguientes datos: 30 C, 1 atm, fracción agua igual a 1, y el flujo másico debe ser calculado manualmente como la diferencia entre la corriente AGUA que emerge de C2 y la corriente SOLVENTE que ingresa a C1. En la Figura 21 se observa el diagrama de flujo de la simulación una vez terminada.

Figura 21. Sistema de columna de destilación extractiva-columna recuperadora para una mezcla binaria

En la Figura 22 se muestra una tabla con los resultados obtenidos para las corrientes de materia involucradas en la simulación de las dos columnas anteriores. Se observa que la corriente ACETONA tiene una concentración de, aproximadamente, 98.62 % mol en acetona y que la corriente METANOL tiene una concentración de, aproximadamente, 99.6 % mol en metanol. Estas concentraciones se pueden considerar como aceptables, pero se deja al estudiante el ejercicio de hacer los cambios que hagan que se alcance una concentración mayor en la corriente de acetona.

Figura 22. Especificaciones de las corrientes involucradas en la simulación. De la misma manera en que se elaboraron las gráficas para la primera columna se obtienen para la segunda columna. Las Figuras 23, 24 y 25 muestran los perfiles gráficos de

temperatura, composición y flujo, respectivamente a través de la segunda columna. Se notan, en cada una de estas variables los puntos de quiebre en los perfiles ocasionados por la dilución que constituye la alimentación en la etapa 14

Figura 23. Perfil de temperaturas en la segunda columna.

Figura 24. Perfil de composiciones en la segunda columna

Figura 25. Perfil de los flujos de líquido y de vapor en la segunda columna

Las composiciones varían inversamente entre ellas logrando obtener ambas especies con altos grados de pureza en las corrientes de fondo y tope. Los flujos de vapor a lo largo de la columna son ligeramente constantes siendo más altos en la sección de rectificación, en cuanto al líquido, el efecto de la corriente de alimentación es evidente en el aumento de esta corriente en el fondo de la columna.

31. DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA HETEROGÉNEA I. 1. OBJETIVOS. Simular, satisfactoriamente en estado estacionario, la separación por destilación de una mezcla binaria azeotrópica heterogénea mediante el uso del simulador de procesos Aspen Plus®.

2. INTRODUCCIÓN. La destilación azeotrópica heterogénea es un método de separación de mezclas azeotrópicas de mínima temperatura de ebullición que utiliza la inmiscibilidad entre dos fases líquidas para enfrentar la presencia de azeótropos en la mezcla, que de otra manera hacen difícil la separación deseada. Los azeótropos o la heterogeneidad entre las fases líquidas puede inducirse (entrainer) o puede estar presente entre los componentes de la mezcla. En este instructivo se explica la simulación de un proceso de destilación de una mezcla binaria azeotrópica heterogénea (n-Butanol – Agua) que presenta un azeótropo heterogéneo La Figura 1 muestra el diagrama T-xy para el sistema n-butanol – agua a presión atmosférica. En él se observa el comportamiento no ideal de la mezcla por la constitución de un estado azeotrópico heterogéneo que se reconoce por el equilibrio entre una fase vapor y dos fases líquidas con diferentes composiciones

Figura 1. Diagrama T-xy para el sistema n-Butanol - Agua

La Figura 2 muestra el diagram de equilbiro x-y para el sistema n-Butanol – Agua a presión atmosférica. En el se observa el comportamiento no ideal consistente en una composición de vapor que mantiene un equilibrio entre dos composiciones diferentes para la fase líquida.

Figura 2. Diagrama x-y para la mezcla n-Butanol – Agua a 1 atm.

La separación de una mezcla binaria azeotrópica heterogénea como la mezcla n-Butanol – Agua, sin la adición de una tercera sustancia, es posible lograrla alcanzando productos de altas purezas para cada uno de los componentes mediante dos estructuras compuestas de dos columnas de separación con rehervidor solamente y un decantador en medio de ellas. En las columnas se desarrollan las separaciones de los componentes en varias etapas de equilibrio líquido - vapor y en el decantador se desarrolla el equilibrio líquido – líquido entre una fase rica en butanol (fase liviana u orgánica) y una fase pobre en butanol (fase pesada o acuosa). En la Figura 3 la mezcla n-Butanol – Agua se alimenta al decantador junto con los productos de tope de las columnas T-101 y T-102 en donde se establece el equilibrio líquido – líquido y se generan las fases ricas y pobres en n-Butanol que se alimentan a las columnas en donde se producen las altas purezas en n-Butanol y Agua como productos de fondo

Figura 3. Proceso de separación de una mezcla n-Butanol – Agua

3. PAQUETE FLUIDO Método termodinámico: En esta guía se procederá seleccionando UNIF-DMD como método termodinámico aplicable en el cálculo del equilibrio líquido – líquido que se establece en el decantador y en el cálculo del equilibrio líquido – vapor que se establece en las otras unidades incluidas en la simulación del proceso de separación Componentes: n-Butanol y Agua Sistema de unidades: METCBAR

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO En la siguiente simulación, la mezcla que se propone separar se denomina ALIMENTO y contiene 80 % mol de n-Butanol y 20 % mol de Agua. Primero se construye el diagrama de flujo mostrado en la Figura 3 instalando las unidades y conectándolas entre sí. La identificación de las corrientes se mantiene de acuerdo a la enumeración asignada por el simulador a excepción de la corriente de entrada (ALIMENTO) y las corrientes de salida denominadas BUTANOL y AGUA. La especificación de las corrientes y unidades, en esta lección se hará siguiendo el orden que señala la herramienta Next Input . 4.1 Presione la pestaña Separators de la librería de modelos y seleccione la opción Decanter. Instale una unidad de este tipo y nómbrela como V-101.

4.2 Presione la pestaña Columns de la librería de modelos, despliegue la opción RadFrac y seleccione el icono STRIP1. Instale dos modelos de este tipo (columna de agotamiento con solo rehervidor) y nómbrelas como T-101 y T-102. 4.3 Presione la pestaña Exchangers de la librería de modelos y seleccione la opción Heater. Instale dos unidades de este tipo y nómbrelas como E-101 y E-102. Estos intercambiadores se encargan de condensar el producto de tope de la columna T-101 y T-102, respectivamente. 4.4 Presione la pestaña Pressure Changes de la librería de modelos y seleccione la opción Pump. Instale dos unidades de este tipo y nómbrelas como P-101 y P-102. 4.5 Conecte las unidades instaladas como se observa en la Figura 3. 4.6 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique la corriente ALIMENTO como se muestra en la Figuras 4. (ALIMENTO: 1.0135 bares, fracción de vapor 0.0, 100 kmol/hora, 80 % mol de n-Butanol y 20 % mol de Agua).

Figura 4. Especificaciones de la corriente ALIMENTO (Alimento al decantador)

4.7 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones del intercambiador E-101. Introduzca las especificaciones observadas en la Figura 5. (Presión 1.0035 bares, fracción de vapor 0.0) 4.8 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones del intercambiador E-102. Introduzca

las especificaciones observadas en la Figura 6. (Presión 1.0035 bares, fracción de vapor 0.0)

Figura 5. Especificaciones del intercambiador E-101

Figura 6. Especificaciones del intercambiador E-102

4.9 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones de la bomba P-101. Introduzca las especificaciones observadas en la Figura 7. (Presión 1.0035 bares, fracción de vapor 0.0)

Figura 7. Especificaciones de la bomba P-101

4.10 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones de la bomba P-102. Introduzca las especificaciones observadas en la Figura 8. (Presión 1.0035 bares, fracción de vapor 0.0)

Figura 8. Especificaciones de la bomba P-102

4.11 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-101 y especifique la Configuración de la columna con 3 etapas de equilibrio, condensador parcial, fases Vapor – Líquido, flujo molar de fondo de 20 kmol/h y flujo del reflujo del vapor a partir del rehervidor 20 kmol/hora. Observe la Figura 9.

Figura 9. Especificaciones de la columna T-101 (Configuración)

4.12 Presione la pestaña Streams y especifique las conexiones de las corrientes a la columna T-101 como se muestra en la Figura 10. (Corriente 8: etapa 1, Corriente 9: etapa 1, fase vapor y AGUA: etapa 3, fase líquida)

Figura 10. Especificaciones de la columna T-101 (Corrientes)

4.13 Presione la pestaña Pressure y especifique las presiones en la columna T-101 como se muestra en la Figura 11. (Presión en el condensador 1.0135 bares.) 4.14 Despliegue la ventana de propiedades del decantador V-101 y especifíquelo como se observa en la Figura 7. (Presión 1.0135 bares, Temperatura 70 °C, Componente clave para identificar segunda fase BUTANOL)

Figura 11. Especificaciones de la columna T-101 (Presión)

4.15 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción T-102 y especifique la Configuración de la columna con 10 etapas de equilibrio, condensador parcial, fases Vapor – Líquido, flujo molar de fondo de 80 kmol/h y flujo del reflujo del vapor a partir del rehervidor 180 kmol/hora. Observe la Figura 12.

Figura 12. Especificaciones de la columna T-102 (Configuración)

4.16 Presione la pestaña Streams y especifique las conexiones de las corrientes a la columna T-102 como se muestra en la Figura 13. (Corriente 7: etapa 1, Corriente 6: etapa 1, fase vapor y BUTANOL: etapa 10, fase líquida)

Figura 13. Especificaciones de la columna T-102 (Corrientes)

4.17 Presione la pestaña Pressure y especifique las presiones en la columna T-102 como se muestra en la Figura 14. (Presión en el condensador 1.0135 bares.)

Figura 14. Especificaciones de la columna T-102 (Presión)

4.18 Presione el botón Next de la barra de herramientas y se desplegará la carpeta Blocks. Seleccione la opción V-101 y especifique al decantador como se observa en la Figura 15 (Presión 1.0135 bares, Temperatura 70 °C, Componente clave en la segunda fase liquida, BUTANOL)

Con todo lo anterior, el proceso se ha especificado completamente. Al correr la simulación se obtiene una convergencia satisfactoria sin errores ni advertencias. El diagrama de flujo de

banderas se muestra en la Figura 16 y las composiciones de las corrientes se muestra en la Figura 17.

Figura 15. Especificaciones del decantador V-101

Figura 16. Diagrama de flujo del proceso de separación

Figura 17. Diagrama de flujo del proceso de separación (Sheet 1: Composiciones)

El diagrama de flujo de banderas junto con los resultados de las corrientes desplegados en la Figura 18 muestran que el producto BUTANOL se obtiene con un flujo de 80 kmol/hora y una pureza del 99.99 % mol mientras que el producto AGUA se obtiene con un flujo de 20 kmol/hora con una composición del 99.99 % mol. El anterior resultado confirma que aún cuando la mezcla original muestra un estado azeotrópico heterogéneo que es difícil separarlo en sus componentes puros en una columna convencional con la estructura simulada se ha logrado productos con altas purezas en cada uno de los componentes de la mezcla.

5. CASO DE ESTUDIO La destilación de una mezcla binaria azeotrópica binaria sin la adición de un tercer componente se puede realizar cargando el alimento a la columna T-102 en vez de hacerlo sobre el decantador como se desarrolló en la simulación de esta lección. La figura mostrada a continuación es el diagrama de flujo de esta segunda estructura.

La mezcla de n-Butanol y Agua se alimenta a la columna T-102 y se obtiene un producto de fondo con n-Butanol de una alta pureza, el producto de tope se mezcla junto con el producto de tope de la columna T-101 en el decantador V-101 estableciéndose un equilibrio líquido – líquido. La fase rica en n-Butanol se alimenta a la columna T-102 y la fase pobre en n-Butanol se alimenta a la columna T-101 en donde se obtiene un producto de fondo con Agua de una alta pureza. Se asigna como ejercicio el desarrollar la simulación de la separación de la mezcla n-Butanol – Agua mediante la estructura mostrada dentro de este caso de estudio

32. DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA HETEROGÉNEA II. 1. OBJETIVOS 

Simular satisfactoriamente en estado estacionario la separación por destilación de una mezcla azeotrópica heterogénea ternaria mediante el uso del simulador Aspen Plus.

 Comparar las simulaciones a realizar en estado estacionario, tanto con el uso de lazos de reciclo como sin reciclo.

2. INTRODUCCIÓN Una forma de separar una mezcla que contiene un azeótropo es agregar un agente de arrastre ligero en el sistema con la finalidad de que se forme un azeótropo adicional que ayude en la separación. Para que esta sea factible, se deben considerar 2 características para este azeótropo adicional: primero que la temperatura azeotrópica de este sea la mínima temperatura del sistema ternario, y segundo, debe ser heterogéneo para que la separación liquido – líquido, sin requerimiento energético, se desarrolle en un decantador para separar el producto de tope de la columna. [1] El siguiente caso presenta la separación de una mezcla etanol (84% molar) – agua (16% molar) con el benceno como componente de arrastre. Este tipo de sistemas se caracterizan por su alta complejidad debido a la producción de 3 azeótropos adicionales o más. Tales sistemas son frecuentes en situaciones en donde se presenten un azeótropo binario homogéneo, binario heterogéneo y ternario heterogéneo; este último es el que se va a tratar a continuación. [1] [2]

3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Se pretende separar una mezcla de etanol (84%) y agua (16%), la cual forma un azeótropo que evita que la pureza de etanol supere el 89.9% molar a una presión de 1 atm, que es una concentración aproximada de 96% volumétrico (alcohol comercial). [2] Tal mezcla es alimentada a una columna inicial, en donde se añade un agente separador que es el benceno. Este al evaporarse arrastra el agua con él, gracias a la miscibilidad parcial que existe entre ellos. Gracias al benceno el agua se vuelve más volátil, y el etanol restante sale como producto de fondo.

El vapor que resulta de la columna consiste en una mezcla ternaria compuesta por los 3 componentes, la cual al condensarse, se originan 2 fases liquidas debido a la repulsión existente las moléculas de agua y benceno. [2] Por esta razón, se emplea un decantador con el objetivo de recircular la fase más ligera (orgánica) como reflujo orgánico a la primera columna, y la fase más liviana (acuosa) que contiene grandes proporciones de etanol y benceno, es enviada a una segunda y última columna, en donde se extrae por la sección inferior el agua restante y el resto es transportado como reciclo a la inicial. Para establecer una mejor comprensión del comportamiento de un azeótropo ternario heterogéneo, se elaboró un mapa ternario en Aspen Plus para los 3 componentes como lo muestra la Figura 1, en donde los puntos marcados con color rojo representan los azeótropos de la mezcla y las flechas limitan las zonas en donde se efectúe la destilación.

Figura 1. Diagrama ternario para la mezcla benceno – etanol – agua

Se puede observar para el etanol, por ejemplo, en el flujo de alimento posee una composición de 84%, localizándolo en su eje se ve por debajo del punto azeótropo señalado por la temperatura 78.16°C; y como se espera un producto con etanol casi puro del 99%, este se encuentra en la zona que hay por encima de ese mismo punto, es decir, después de atravesar una de las flechas limitadoras. Esto implica que la separación de la mezcla no se efectuara

completamente en una sola unidad sino que se requiere otra adicional. Lo mismo se observa para el agua.

4. PAQUETE FLUIDO Modelo termodinámico: UNIQUAC Componentes: Benceno, etanol y agua. Reacciones: No hay Sistema de unidades: MET

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 5.1 . Después de abrir el simulador Aspen Plus en la opción Blank Simulation despliegue el Data Browser y presione el botón Next de la barra de herramientas. Se despliega la carpeta Setup y en el cuadro Title introduzca “Deshidratación de Etanol” como nombre de la simulación y en el cuadro Units of measurement seleccione el sistema MET de unidades de medida. 5.2 . Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Components y seleccione los compuestos benceno, etanol y agua como se muestra en la Figura 2. 5.3 . Presione el botón Next de la barra de herramientas para desplegar la carpeta Properties y seleccione la ecuación de UNIQUAC como modelo matemático. Tenga presentes que los parámetros de interacción binaria deben verificarse. 5.4 . Una vez introducido el paquete fluido, se procede a la instalación de las unidades y corrientes. En primer lugar, se presiona el panel Columns de la librería de modelos, se selecciona RadFrac y a continuación se instalan 2 columnas: para la primera se escoge el modelo STRIP1 y se nombra como T – 101; y para la segunda se elige el modelo FRACT1, y se llama como T – 102. 5.5 . Diríjase al panel Pressure Changers en la misma librería, y oprima la opción Valve para instalar 8 válvulas; y luego en Pump para introducir 6 bombas en el ambiente de simulación.

Figura 2. Selección de componentes benceno, etanol y agua

5.6 . Luego, se procede a instalar un intercambiador de calor, para ello se selecciona el panel Heat Exchangers y se da clic en el icono Heater. 5.7 . Seleccione el panel Separators para instalar un decantador haciendo clic en el icono Decanter. 5.8 . Instale un mezclador, escogiendo el panel Mixers/Splitters y seleccionando Mixer. 5.9 . Por ultimo presionar el botón Material STREAMS de la librería de modelos para activar el conector de corrientes entre bloques del diagrama de flujo, elabore el diagrama de flujo mostrado en la Figura 3, asignándoles los nombres a las corrientes y unidades respectivamente.

Una vez que sean instaladas cada una de las corrientes y unidades implicadas, se procederá a llenar sus especificaciones.

Figura 3. Diagrama de la planta de deshidratación de etanol

CORRIENTES DE ENTRADA 5.10 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas con lo cual se despliega la carpeta Streams y especifique las corrientes BENFEED (Benceno puro, 350 K. 2.2 atm, 0.00025 kmol/sec), FEED (Etanol 84 % mol, Agua 16 % mol, 350 K, 2.195 atm, 0.06 kmol/sec), RECYCLE (Benceno 15.72 % mol, Etanol 61.36 % mol, Agua 22.92 % mol, 317 K, 2.161 atm, 0.05727 kmol/sec) y REFLUX (Benceno 81.77 % mol, Etanol 16.41 % mol, Agua 1.82 % mol, 317.08 K, 2.1 atm, 0.084 kmol/sec) como se muestra en las Figuras 4, 5, 6 y 7.

DECANTADOR 5.11 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones de la unidad DECANTER (decantador). En la seccion Decanter specifications se introducen los valores de presion y carga de energia que son 1 atm y 0 Watts. Luego, se dirige a la seccion Key components to identify 2nd liquid phase, en ella se observan los nombres de los componentes identificados en la simulacion. Seleccione el componente WATER y transfiéralo a la casilla Key

components (componentes claves) mediante el botón que muestra una flecha apuntando hacia la derecha. Lo anterior se refleja en la Figura 8. Obsérvese que en la parte inferior de la misma ventana, en el espacio Component mole fraction aparece por defecto un valor de 0.5; éste es un valor que restringe la separación del flujo de entrada en proporciones equivalentes de nivel de la fase líquida dentro de la unidad. No obstante, como se desea una separación efectiva, se escoge el panel Calculation Options de la misma ventana de especificaciones donde se muestran opciones de cálculo de resultados. Si se observa la sección titulada Determine phase split by, se muestran 2 métodos de separación: uno por igualación de fugacidades de los componentes en las corrientes a separar y el otro por minimización de la energía libre de Gibbs. Se selecciona el último, debido a que éste resulta sútil porque es independiente de las propiedades de las corrientes que participan. Esto se puede apreciar en la Figura 9. [3]

Figura 4. Especificaciones para la corriente BENFEED

Figura 5. Especificaciones para la corriente FEED

Figura 6. Especificaciones para la corriente RECYCLE

Figura 7. Especificaciones para la corriente REFLUX

Figura 8. Ventana de especificaciones de la unidad DECANTER

Figura 9. Panel de opciones de cálculo para el bloque DECANTER

INTERCAMBIADOR DE CALOR HX 5.12 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones del intercambiador de calor HX. En ella se introducen los valores de temperatura y presión de salida que son 313 K y 1 atm. Esto se estipula en la Figura 10.

Figura 10. Ventana de especificaciones del intercambiador HX

ESPECIFICACIONES DE LAS BOMBAS 5.13 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones para la bomba P11. Asígnele un incremento de presión de 1 atm tal como se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Ventana de especificaciones de la bomba P11

De igual forma, al oprimir Next input nuevamente, se abren las ventanas de especificaciones para cada bomba del proceso de manera consecutiva. Entonces se debe introducir el incremento de presión en cada una, así:

Tabla 1. Listado de bombas con sus respectivos incrementos de presión

Bombas P21 P22 PD1 PD2

Incremento de presión (atm) 0.1 1.061 0.268 1.1

COLUMNAS DE DESTILACIÓN T-101 Y T-102 5.14 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones para la columna T-101 con el panel

Configuration. Se trata de una columna de 31 etapas, sin condesador y flujo de fondo de 0.0504 kmol/seg. También cabe anotar que la convergencia es azeotrópica porque se considera la participación de un agente separador como es el benceno y que participa en la mezcla azeotrópica ternaria, de tal forma que es recomendable ajustarlo así para obtener una convergencia efectiva. [3] Esto se plasma en la Figura 12.

Figura 12. Ventana de especificaciones de la columna T-101 – Panel Configuration

5.15 Seleccione el panel Streams en donde se especifica que la corriente REFLUX2 ingrese por la etapa 1, RECYCLE2 por 10 y FEED2 por 15. Esto se puede observar en la Figura 13.

Figura 13. Ventana de especificaciones de la columna T-101 – Panel Streams

5.16 En el panel Pressure, se ajusta una presión de 2 atm en la etapa 1 y una caída de presión por etapa de 0.0068 atm. Lo anterior está descrito en la Figura 14.

Figura 14. Ventana de especificaciones de la columna T-101 – Panel Pressure

5.17 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones para la columna T-102 con el panel Configuration. Esta provista de 22 etapas, condensador total, razón de reflujo de 0.2 y flujos de fondo de 0.0098 kmol/seg. El principio de convergencia para esta unidad se fundamenta en la no idealidad de la fase líquida; esto sucede debido a que los compuestos que participan en esta simulación están ligados al modelo UNIQUAC, por lo que se trata de un modelo termodinámico aplicado a sustancias líquidas que no están restringidas por las características ideales. [3] El conjunto de especificaciones anteriormente descritas se pueden apreciar en la Figura 15. 5.18 Luego se activa el panel Streams. En este, se ajusta la corriente F2 para que ingrese por la etapa 11. 5.19 Después se hace clic en el panel Pressure, en la que al igual que la columna anterior se le suministran valores de presión a la etapa 1, en este caso se trata de un condensador, de 1.1 atm y una caída de presión por etapa de 0.0068 atm. 5.20 Oprima el panel Condenser para introducir una especificación de temperatura de subenfríamiento de 316.8981 K. En este momento ya la columna debe estar completamente especificada. Esto se observa en la Figura 16.

Figura 15. Ventana de especificaciones de la columna T-102 – Panel Configuration

Figura 16. Ventana de especificaciones de la columna T-102 – Panel Condenser

ESPECIFICACIÓN DE LAS VALVULAS 5.21 Presione el botón Next Input de la barra de herramientas, donde se despliega la carpeta Blocks y la ventana de especificaciones para la válvula V1. Introduzca una caída de presión de 0.1 atm. Dicha ventana se puede contemplar en la Figura 17. De la misma

forma al oprimir Next Input, se despliegan ventanas para las demas válvulas una tras otra, en las que se inserta el mismo valor de caída de presión a excepción de la válvula V12 que se le asigna una de 0.9 atm.

MEZCLADOR M1 5.22 Hacer doble clic en el bloque M1 del Flowsheet la cual despliega la ventana de especificaciones del mezclador. Asigne una presión de 2.1 atm.

Figura 17. Ventana de especificaciones de la valvula V1

Con todo lo anterior, el proceso se ha especificado completamente. Al correr la simulación se obtiene una convergencia satisfactoria sin errores ni advertencias. Presione el botón Check Results que es el icono de carpeta azul en la parte superior de la ventana Control Panel para desplegar la ventana Results Summary Run Status para observar algunos de los resultados obtenidos. No obstante, si se desean ver las especificaciones de ciertas corrientes de interés, se emplea el siguiente procedimiento: 

Haga clic derecho sobre el panel Default y se escoge la opción Add para añadir una nueva hoja. Se deja el nombre Sheet 1 y se presiona OK para añadir una nueva hoja con especificaciones.



Se hace clic derecho sobre el panel Sheet 1 y seleccione la opción Edit New para desplegar la ventana Edit View Wizard. Seleccione las corrientes de entrada (FEED, RECYCLE y REFLUX) y las corrientes de producto (ETH2, ORGREF, D2CALC y WATER2) como se observa en la Figura 18.

Figura 18. Selección de corrientes para la nueva hoja Sheet 1.



Presione ahora el panel Property Selection, agregue la propiedad Component Mole Fraction y elimine todas menos las de Mole Flow, Temperature y Pressure. Observe la Figura 19.

A partir de estos resultados, se pueden abarcar 2 análisis. El primero es acerca de la composicion de los productos de fondo en cada columna. Se puede observar en el caso de la corriente ETH2 que cuenta con una concentración de etanol al 99,015%, garantizando de esta forma una separación efectiva del compuesto en la primera columna. Ahora si se verifica la corriente WATER2 como salida de fondo de la segunda columna, se puede apreciar la obtención de una concentración de agua del 96.38%. La separación resultará más efectiva si se disminuye el valor de los flujos de fondo en la columna T102 pero no es convincente para la simulación. Posteriormente se justificará este hecho. El segundo análisis se trata de establecer una serie de comparaciones de las propiedades entre las corrientes RECYCLE y D2CALC, y las de REFLUX y ORGREF. Como se puede observar en la Figura 19, cada una de las corrientes de salida poseen caracteristicas muy próximas a las de entrada, lo que demuestra que si se ajustan lazos de recirculación

para esos flujos de salida y entrada, puede llevarse a cabo una alta correspondencia y por ende una alta probabilidad de convergencia cuyo procedimiento se desarrollará a continuación.

Figura 19. Tabla de resultados de corrientes de interés en el proceso

CREACIÓN DE LAZOS DE RECIRCULACIÓN En primer lugar lo que se debe hacer es oprimir el botón Reinitialize ubicado en la barra de herramientas y como su nombre lo indica, regresa a las condiciones iniciales de la simulación. Borre las corrientes D2CALC y ORGREF del Process Flowsheet Window y junte la corriente RECYCLE con la bomba P22, y REFLUX con M1. Para hacer eso, se le da clic derecho a cada una de ellas y se despliega un menú en donde se elige la opción Reconnect Source. En esos momentos se pueden manipular las corrientes para conectarlas a las unidades que se desean. Esto debe ser similar a lo presentado en la Figura 20. Entonces, se procede a seleccionar el menú Data Browser para desplegar la lista de carpetas. Se abre la carpeta Setup y se selecciona la opción Simulation Options la cual despliega una ventana con una serie de paneles. Entre esos se escoge el que tiene por nombre Check Results, en la que se muestra un conjunto de condiciones asociadas al balance de materia y equilibrio de fases. Cámbiale la tolerancia del balance de materia a 0.01. Esto se ve en la Figura 21.

Figura 20. Diagrama de la planta de deshidratación de etanol con lazos de recirculación

Figura 21. Cambio del valor de tolerancia para el balance de materia Luego se traslada a la carpeta Convergence en donde al abrirla se muestran un conjunto de 4 subcarpetas. Escoja, primero, la que dice Conv Options, se despliega un ventana ubicada en el panel Tear Convergence. Allí se cambia el valor de la tolerancia a 0.01 como se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Ventana Convergence – Panel Tear Convergence

En esa misma ventana, desplazarse a la pestaña Default Methods, la cual presenta una lista de métodos de cálculos iterativos para cada especificación de convergencia. En este caso, se elige el método Newton para la especificación Tears tal como se señala en la Figura 23.

Figura 23. Ventana Convergence – Panel Default Methods Por último, se da clic en el círculo blanco con el término Tear que está debajo de la subcarpeta EO Conv Options de la carpeta desplegada Convergence. En ella se abre una ventana con el objetivo de ingresar las corrientes que se desean recircular, debido a que con esto se

aumentarán más las posibilidades de obtener una convergencia satisfactoria. Así que se introducen las corrientes RECYCLE y REFLUX de acuerdo a lo mostrado en la Figura 24.

Figura 24. Especificación de las corrientes Tear o de recirculación

Una vez que finalice de introducir estas consideraciones, se hace correr la simulación en la que se puede apreciar una convergencia efectiva sin advertencias ni errores. Para mayor prueba, se despliega el Custom Stream Summary del Check Results para inspeccionar los datos de concentraciones u otras propiedades como se prevé en la Figura 25.

Figura 25. Tabla de resultados de las corrientes de entrada y salida A diferencia de la simulación sin lazos de reciclo, en esta hay un incremento ligero de las purezas de etanol en ETH2 y agua en WATER2, de 99.32 % la primera y la segunda de 96.76 %. Esto se debe, más que todo, a los cálculos iterativos de balance de materia durante el proceso de convergencia, haciendo alterar los resultados de esta manera.

Este es uno de los casos en muchas simulaciones que involucran lazos de recirculación u otros tipos de características complejas para un proceso en que resulta indispensable considerar detalles de convergencia al instante de evaluar un proceso; de tal manera que resulta más eficiente cuando se obtengan los resultados esperados. Nota: Para obtener una pureza de agua en el producto de fondo de la columna T-102, se debe reducir el valor de los flujos de fondo a 0.0095 (compruébelo usted mismo al cambiarle el valor para la simulación sin lazos). Sin embargo, hay que destacar que en el proceso más generalizado, es decir, el último con los lazos, esto no resultará valido debido a que puede producirse errores de gran magnitud. En el ambiente de simulación no se observarán pero en el panel de resultados se mostrarán de forma implícitas relacionados íntimamente con los balances de materia. Esto ocurre porque el proceso estudiado es demasiado sensible en el sentido de poseer una cantidad innumerable de consideraciones de gran ponderación para el simulador, convirtiéndolo así en proceso extremadamente cauteloso. En la siguiente sección, se realizará una descripción del comportamiento de los componentes durante sus respectivas separaciones en cada columna.

5.23 DISCUSIÓN DE RESULTADOS Para observar detalladamente los perfiles de concentración y temperatura a través de las etapas de las columnas, se hace doble clic en cada una y se selecciona la opción Profiles. Entonces despliegue el menú Plot de la barra de menú y elija Plot Wizard. Siga los pasos del asistente para mostrar perfiles de temperatura, presión y composiciones de benceno, etanol y agua de las columnas T-101 y T-102 como se enseñarán en los diagramas posteriores. En la Figura 26, pueden apreciarse los diagramas de temperatura para ambas columnas en los que se evidencia el continuo incremento de temperatura, el cual permitirá la separación adecuada a medida que la mezcla desciende por las etapas respectivas. Puede verse como se alcanza un valor intermedio entre 370 y 375 K en las dos unidades. La diferencia en el número de etapas se debe ampliamente a las propiedades de la mezcla azeotrópica presente; por ejemplo, para la columna T-101 se usan más etapas que para la columna T-102 debido a que como se trata de una columna azeotrópica, esta es diseñada para que el agente de arrastre (benceno) interactúe con la mezcla a separar (etanol - agua) y contribuya a la separación del etanol de la manera más efectiva posible, garantizando una superficie de transferencia significativa como se trata del número de platos. A diferencia de la columna T-102, en la que solo se necesitan 22 etapas porque el objetivo es separar la cantidad de agua restante y además de eso, el agente de arrastre solo desempeña un papel secundario en la mezcla sobrenadante.

Figura 26. Perfiles de temperatura de las columnas T-101 y T-102

De manera particular y análoga, se pueden verificar los perfiles de presión de las 2 columnas. En ellos se puede presentar un incremento de presión completamente lineal a lo largo de las etapas constituyentes. Nuevamente, para la columna T-101 se hace notorio apreciar una caída de presión de gran relevancia que en la segunda por las mismas razones comentadas con anterioridad. Es decir, favorecer la acción del agente separador en la mezcla objeto de estudio. Por último, se tienen los perfiles de composiciones de cada componente en fase líquida para ambas unidades en la Figura 28. En la columnaT-101, por ejemplo, se evidencia que como el perfil de concentración del etanol es altamente relevante al alcanzar la última etapa, casi del 99 %; la del benceno sufre una disminución notoria a lo largo del descenso porque gran parte de este es evaporado junto con el agua gracias a las interacciones moleculares entre los dos, generando una miscibilidad parcial; y así recircularse, posteriormente, en la fase orgánica producto del decantador. [2] Para el caso de la columna T-102, la situación es más convencional debido a que se observa una separación casi efectiva del agua en el producto de fondo (aproximadamente cercana al 97 %). Cabe destacar que el etanol se mantiene constante al descender por los primeros platos pero luego experimenta un descenso en su composición vertiginosamente cercana a la etapa 18, por lo que gran parte de este componente es enviado al producto de tope para bombearse hacia la primera columna. Y obviamente el benceno no es tan relevante en esta situación gracias a que se destina gran parte de él hacia la fase orgánica.

Figura 28. Perfiles de concentraciones en fase líquida de la mezcla de benceno – etanol – agua en las columnas T-101 y T-102

A manera de conclusión, es válido inferir dos aspectos claves para la comprensión del caso estudiado: el primero sobre la rigurosidad o complejidad del proceso y segundo el rol desempeñado por las corrientes constituyentes de los lazos de recirculación. Cuando se trata de un proceso de simulación rigurosa, se hace referencia al alto nivel de especificaciones requeridas para lograr una convergencia adecuada, y por ende, la estimación de un modelo cercano a la realidad gracias a la información introducida. Esta afirmación encaja ante todo con las unidades T-101, T-102 y DECANTER por ejemplo, en los que se establecieron las especificaciones adecuadas de tal manera que se pudiese presentar una compatibilidad con las propiedades físicas de los componentes involucrados y modelos termodinámicos asociados. Por otro lado se tienen bajo consideración la importancia de los lazos de recirculación. En la primera simulación (sin lazos) se pudo demostrar cómo compartían un rango de valores de propiedades las corrientes de salida ORGREF y D2CALC en los que eran demasiado asimilables con las de entrada REFLUX y RECYCLE; y lo otro, las composiciones estimadas a partir de tales requerimientos no resultan desde un punto de vista eficiente, no rentables. Esto se podría arreglar alterando características como el valor del flujo de fondo de la columna T-102, como se mencionó más atrás, en el que al reducir el valor a 0.0095 kmol/sec se obtendría una separación óptima de agua en el fondo casi del 99 % (hágase la prueba). Sin embargo, también se observará en la tabla de resultados cómo se pierde la aproximación del valor del flujo molar de la corriente D2CALC con RECYCLE, de forma que no se garantizaría la creación del lazo de recirculación. Es por eso que al realizar una consideración de aspectos de costos y distribución de recursos, se deben establecer tales lazos para

conservar la estabilidad energética y productiva del proceso, a pesar de que las especificaciones que se otorguen no contribuyan a porcentajes de desempeño relevantes. Como se observó a lo largo del presente trabajo, se empleó un valor de 0.0098 kmol/sec para lograr la convergencia necesaria pero no se alcanza una separación casi completa de agua (96.9% molar) en la última columna porque el sistema tiende a ser un poco susceptible a los resultados de los balances de materia calculados con los métodos iterativos que tiene incorporados Aspen Plus. Quizás resulte un poco limitado por parte del programa no poseer las condiciones necesarias para lograr convergencias con altos desempeños, sin embargo es factible y accesible debido a que brinda la posibilidad de obtener una comprensión más dinámica y didáctica de la actividad del proceso por analizar cuando se trata de mostrar los alcances o restricciones presentes en las operaciones unitarias.

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 

[1] Luyben, William L.; Chien, I-Lung. Design and Control of Distillation Systems for Separating Azeotropes. AIChe. John Wiley & Sons, Inc., publication. p. 217. United States of America. 2010.



[2] Vargas Valle, Rosendo. Simulación y Control de una Planta de Destilación para producir Etanol Anhidro. pp. 18, 21-22, 25. Cuernavaca, Morelos, México. 4 de diciembre de 2008.



[3] Aspen Plus: Steady State Simulation Version 10. Unit Operation Models: Reference Manual. AspenTech. pp. 2-8, 2-9, 2-10, 2-11, 4-22. 1998.

33. DESTILACIÓN REACTIVA 1. OBJETIVOS. Simular una columna de destilación reactiva en estado estacionario mediante el uso del simulador de procesos Aspen Plus® y presentar resultados satisfactorios para la simulación. 2. INTRODUCCIÓN. Destilación reactiva es el nombre dado al proceso en donde la reacción química y la separación de los productos se llevan a cabo simultáneamente en una sola unidad. Llevar a cabo la reacción química, con la separación y purificación del producto por destilación, presenta las siguientes ventajas: 1. Las restricciones del equilibrio químico se superan, debido a que el producto es removido una vez que se forma. 2. Se pueden obtener ahorros energéticos, ya que el calor de reacción puede ser utilizado para la destilación. 3. Los costos de capital se reducen porque solo se requiere utilizar un equipo. El diseño de columnas de destilación reactiva es complicado por la complejidad de las interacciones entre los procesos de reacción y separación. La destilación reactiva es usada en la producción de MTBE (methyl tertiary butyl ether) y de acetatos de alta pureza. En este instructivo, se va a examinar la fabricación de acetato de metilo, una resina de petróleo muy importante que se utiliza en la fabricación de pieles artificiales y como solvente de pegamentos, pinturas y quitaesmaltes. Es una sustancia volátil de baja toxicidad. El anhídrido acético se produce por carbonilación del acetato de metilo.

3. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETATO DE ESTERIFICACIÓN DEL ACIDO ACÉTICO CON METANOL.

METILO

POR

Con la continua remoción de los productos de reacción, la destilación reactiva ha sido aceptada como un medio para mejorar la operación técnica y económica de los procesos en los que resulte aplicable. Las ventajas de este método incluyen un mayor rendimiento, ahorro de energía y reducción de los costos capitales. El objetivo de este instructivo será simular un sistema híbrido de destilación y reacción para producir acetato de metilo de calidad comercial por la esterificación del ácido acético con metanol, mediante la siguiente reacción:

𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 ⇌ 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2 𝑂 Ácido acético Metanol Acetato de Metilo Agua

En la destilación reactiva el reactivo pesado, normalmente, es alimentado desde la parte superior de la sección reactiva y el reactivo ligero entra por la parte inferior de la zona de reacción. Para el sistema de producción de acetato de metilo (MeAc), el reactivo pesado es el ácido acético (HAc) y el ligero es el alcohol metílico (MeOH). Si en la zona de reacción de la columna se consume todo el ácido, se estará tratando la separación de H2O/MeOH /MeAc, un sistema ternario, en la sección de agotamiento.

Figura 1. Mapa de curvas de residuo y envoltura L-L para la esterificación del ácido acético con metanol.

El mapa de curvas de residuo de la Figura 1 indica que la separación llegará hasta el nodo de H2O pura en la parte inferior de la columna. Por el contrario, si hacemos reaccionar la mayor parte del alcohol hacia la parte superior de la zona de reacción, en la sección de rectificación van a separar HAc / MeAc, con una pequeña cantidad de H2O. El mapa de curvas de residuo en la Figura 1 muestra que es posible obtener una pureza MeAc relativamente alta, a pesar de que en el diagrama representa un nodo de silla. El producto pesado de la reacción, H2O, se retira por el fondo y el producto ligero, MeAc, se obtiene por el otro extremo de la columna. Los azeótropos tienen un papel activo en las secciones de separación, excepto para el producto de tope que es un nodo de silla (en última

instancia, las curvas de residuo terminan en el azeótropo MeAc/H2O, 56,84°C). Esto provocará algunos problemas en la operación y en el control de la columna. Sin embargo, es posible conseguir productos de alta pureza en ambos extremos con la columna simulada en la Figura 11.

4. ANÁLISIS DE VARIALBLES DE DISEÑO DEL PROCESO. La destilación reactiva es atractiva para aquellos sistemas en donde ciertas condiciones de equilibrio químico y de fase coexisten. Debido a que hay muchos tipos de reacciones, hay muchos tipos de columnas de destilación reactiva. A continuación se describe la situación ideal clásica, que servirá para delinear los fundamentos del análisis de variables en la destilación reactiva. Considere el sistema en el que la reacción química que involucra a dos reactivos (A y B) la producción de dos productos (C y D). La reacción tiene lugar en la fase líquida y es reversible.

A+B↔C+D

En la destilación reactiva, debemos ser capaces de separar los productos de los reactivos por destilación. Esto implica que los productos deben ser más ligeros y/o más pesados que los reactivos. En términos de las volatilidades relativas de los cuatro componentes, un caso ideal se da cuando un producto es el más ligero y el otro producto es el más pesado, siendo los reactivos los componentes de temperatura de ebullición intermedia.

𝛼C > 𝛼A > 𝛼B > 𝛼D

La Figura 2(a) presenta el diagrama de flujo de esta columna de destilación reactiva ideal. En esta situación, el reactivo más ligero A se introduce en la parte inferior de la columna, pero no por el fondo. El reactivo B más pesado se introduce en la parte superior de la columna, pero no por el tope. La sección de platos de equilibrio en mitad de la columna es la sección reactiva y contiene un número de platos NRX. En las etapas reactivas la conversión depende de la presión de la etapa, de la temperatura, y del holdup de líquido (o la cantidad de catalizador) en el plato. Los caudales de vapor a través de la sección de reacción cambian de etapa a etapa debido al calor de reacción producido si una reacción es exotérmica. Esto va a generar más vapor en los platos reactivos.

Condensador total

NS + 1 + NRX + NR Divisor de corrientes

D

C

B

D

NR Etapas

B NS + 1 + NRX F1 (Reactivo pesado)

NRX Etapas

A NS + 1 F2 (Reactivo ligero)

NS Etapas

1

Rehervidor parcial

(a)

SV,N

VN Yi,N TV,N PV,N HV,N

LN+1 Xi,N+1 TL,N+1 PL,N+1 hL,N+1

Etapa N

Fase Vapor

Fase Líquida

VN-1 Yi,N-1 TV,N-1 PV,N-1 HV,N-1

QN

LN Xi,N TL,N PL,N hL,N

FN zi,N hF,N

SL,N

(b) Figura 2. (a) Columna de destilación reactiva. (b) Etapa de equilibrio con reacción.

Así como el componente A fluye hacia la parte superior de la columna, irá reaccionando con el descenso del componente B. El componente C es el producto más ligero y es rápidamente eliminado en la zona de reacción en fase de vapor y fluye hacia la parte superior de la columna. Del mismo modo, el producto más pesado, D, se elimina rápidamente en la fase líquida y fluye hacia la parte baja de la columna. La sección de la parte superior, de la columna por encima de donde se introduce el alimento fresco de reactivo B (La sección con NR platos), es la sección de rectificación, donde C es separado de todos los productos y de los componentes más pesados, por lo que se produce un destilado bastante concentrado en C. La sección de la parte inferior de la columna, por debajo de donde se introduce el alimento fresco de reactivo B (La sección con NS platos), es la sección de agotamiento, separa a D de todos los componentes más ligeros que él, por lo que se produce un fondo que es concentrado en D.

En la Figura 2(b) se muestra un plato de equilibrio con reacción. Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio con reacción se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera: Balance de componentes en estado estacionario: M

C

FN Zi,N + VN-1 Yi,N-1 + LN+1 Xi,N+1 − (VN + SV,N )Yi,N − (LN + SL,N )Xi,N + ∑ ∑ vi,j r̅j,N εN = 0 j=1 i=1

El último término de la ecuación de balance de masa corresponde a la velocidad de desaparición o aparición de moles totales debido a la reacción j en el plato N, vi,j equivale al coeficiente estequiométrico de la especie i en la reacción j y εN representa el volumen de reacción. Esta ecuación supone que el holdup de líquido (o la cantidad de catalizador) en la etapa N no cambia con el tiempo. Balance de energía en estado estacionario: FN hF + VN-1 HV,N-1 + LN+1 hL,N+1 − (VN + SV,N )HV,N − (LN + SL,N )hL,N + QN = 0 Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en equilibrio se cumplen las siguientes restricciones:

Yi,N = Ki,N Xi,N TV,N = TL,N PV,N = PL,N

En la sección de etapas de reacción de la Figura 2(a) no hay corrientes laterales ni corrientes de alimentación, por tanto los términos SL,N , SV,N y FN son nulos. El análisis para la etapa de equilibrio con reacción incluye cuatro corrientes de materia y una de calor lo que muestra un número total de variables dado por 4(C + 2) + 1= 4C + 9. El número total de ecuaciones es dado por C +1 (si solo hay una reacción como en este caso) pero además se agregan las C + 2 restricciones correspondientes a las condiciones de equilibrio entre las fases vapor y líquido. El número de variables de diseño que se deben especificar es, por lo tanto (4C + 9) − (2C + 3) = 2C + 6. Equivale a las mismas variables de diseño de una etapa simple. Por

tanto, el número de variables a especificar en una sección de etapas reactivas será [1 + NRX (2C + 6)]− [2(N − 1)(C + 2)] = 2C + 2NRX + 5. El número total de variables para cada uno elementos de la columna mostrada en la Figura 2a, queda determinado de la siguiente manera: Condensador total Divisor de corrientes Sección de rectificación Etapa de alimentación del reactivo pesado Sección de reacción Etapa de alimentación del reactivo ligero Sección de agotamiento Rehervidor parcial

C+4 C+5 2C + 2NR + 5 3C + 8 2C + 2NRX + 5 3C + 8 2C + 2NS + 5 C+4

Total

15C + 2NR + 2NRX + 2NS + 44

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes está dado por: Nuc = 13(C + 2) = 13C + 26 Y el número total de variables de la columna de destilación con condensador total, rehervidor parcial y rectificador lateral esta dado por.

Nui = (15C + 2NR + 2NRX + 2NS + 44) − (13C + 26) = 2C + 2NR + 2NRX + 2NS + 18

Debido a que en el número total de etapas N se están incluyendo las dos etapas de alimentación N − 2 = NR + NRX + NS

Entonces, 2C + 2(NR + NRX + NS ) + 18 = 2C + 2(N − 2) + 18 = 2C + 2N + 14

El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 14) grados de libertad de la siguiente manera, especificando: Corriente de alimentación del reactivo ligero Corriente de alimentación del reactivo pesado Presión en cada etapa Flujo calórico en cada etapa Cantidad de etapas Número de la etapa de alimentación del reactivo ligero Número de la etapa de alimentación del reactivo pesado Presión en el fondo de la columna Presión en el tope de la columna Caída de presión en el rehervidor Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el rehervidor Flujo calórico en el condensador Razón de reflujo

C+2 C+2 N N 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

La sección platos existente entre el plato alimentación del reactivo pesado y el plato de alimentación del reactivo ligero corresponde a la sección de reacción.

5. PAQUETE FLUIDO. Los componentes son: Metanol, Ácido acético, Acetato de metilo y Agua. El modelo termodinámico seleccionado para esta simulación es el modelo de actividad UNIQ-NTH. No olvide seleccionar los parámetros binarios correspondientes a ese modelo

6. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO. Seleccione el modelo RadFrac contenido en la librería de modelos en el panel Columns, para instalar una columna de destilación (T-101) en la ventana principal de la simulación y conecte dos corrientes de alimentación (ACETICO y METANOL), una corriente de tope (ACETATO) y una corriente de fondo (AGUA) como se muestra en la Figura 1. Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Input que se encuentra dentro de la carpeta ACETICO que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Streams. Las especificaciones de la corriente de ACETICO son 75 °C, 1 atm, 50 kmol/h, ácido acético puro. Observe la Figura 2.

Figura 1. Columna de destilación – Modelo RadFrac

Figura 2. Especificaciones de la corriente ACETICO Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Input que se encuentra dentro de la carpeta METANOL que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Streams. Las especificaciones de la corriente de METANOL son 75 °C, 1 atm, 50 kmol/h, metanol puro. Observe la Figura 3.

Figura 3. Especificaciones de la corriente METANOL

Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Setup que se encuentra dentro de la carpeta Specifications de la carpeta T-101 que se encuentra dentro de la carpeta Blocks. Las especificaciones de la columna T-101 son 39 etapas de equilibrio, condensador total, rehervidor parcial (Kettle), flujo de destilado (Distillate rate) 50.35 kmol/h, razón de reflujo (Reflux ratio) 1.7. Observe la Figura 4. El panel Configuration ha sido completado en sus especificaciones.

Figura 4. Especificaciones de la configuración de la columna T-101

Presione el panel Streams que se encuentra dentro del formulario Setup que se encuentra dentro de la carpeta Specifications de la carpeta T-101 que se encuentra dentro de la carpeta Blocks. Las corrientes de entrada (Feed streams), se alimentan por las etapas 13 (corriente ACETICO) y 36 (corriente METANOL). Las corrientes de salida están especificadas, por defecto, por el simulador. Observe la Figura 5. Presione el panel Pressure que se encuentra dentro del formulario Setup que se encuentra dentro de la carpeta Specifications de la carpeta T-101 que se encuentra dentro de la carpeta Blocks. La presión en el tope (Condenser pressure) es 1 atm y la caída de presión a través de la columna (Stage pressure drop) es cero. Observe la Figura 6. Presione el formulario Reactions que se encuentra dentro de la carpeta Specifications de la carpeta T-101 que se encuentra dentro de la carpeta Blocks. En la ventana desplegada a la derecha se abre, por defecto, la del panel Specifications. Despliegue el cuadro que se encuentra debajo del encabezado Reaction ID y seleccione la opción New. Se despliega un cuadro de diálogo como el mostrado en la Figura 7 donde se asigna un nombre a la reacción que se va a crear, en este caso R-1. Presione el botón OK.

Figura 5. Especificaciones de las corrientes de entrada y salida de la columna T-101

Figura 6. Especificaciones de las corrientes de entrada y salida de la columna T-101

Figura 7. Creación de una reacción dentro de la columna T-101

Complete la ventana Specifications introduciendo que la etapa inicial (Starting stage) de la sección de reacción es la número 4 y la etapa final (Ending stage) es la número 37. Observe la Figura 8.

Figura 8. Etapa inicial y final de la sección de reacción dentro de la columna T-101

Presione el botón Next, se despliega la carpeta R-1 que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Reactions. En la ventana observada a la derecha se encuentra abierto el panel estequiometria (Stoichiometry), presione el botón New que se encuentra en la parte inferior y se despliega, entonces, una ventana para seleccionar el tipo de reacción (Select Reaction Type). Seleccione la opción Kinetic/Equilibrium/Conversion porque la reacción es de equilibrio. Presione el botón OK. Observe la Figura 9.

Figura 9. Especificación de la reacción R-1 dentro de la columna T-101

Se despliega la ventana Edit Reaction donde se edita el tipo de reacción (Reaction type) de equilibrio, los coeficientes de los reaccionantes y de los productos. Presione el botón Close. Observe la Figura 10.

Figura 10. Edición de la reacción R-1 dentro de la columna T-101

Presione el botón Next, se despliega una ventana que informa que toda la información de entrada requerida está completa y que se puede correr la simulación. Presione el botón OK.

2. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO. El simulador reporta que ha encontrado una solución satisfactoria para la simulación especificada. El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 11. Al desplegar el formulario Stream Results (Custom) se pueden observar los resultados o especificaciones de las corrientes de producto de la columna T-101. En la Figura 12 se muestra una hoja adicionada llamada Sheet 1 en donde se han elegido solamente las propiedades de los flujos y las composiciones en las corrientes ACETATO y AGUA. Se observa que la corriente ACETATO es de un flujo de 50.35 kmol/h y presenta un contenido en acetato de metilo de 98.6995 % mol mientras que la corriente AGUA es de un flujo de 50 kmol/h y presenta un contenido de agua 99.2229 % mol. Estos resultados son satisfactorios y se deja como asignación para el estudiante el ajuste de las especificaciones para alcanzar concentraciones mayores en cada una de las corrientes de producto. Los perfiles de composición en el gráfico de la Figura 13 indican que en la sección de rectificación se da, principalmente la separación de acetato de metilo (línea roja) y ácido

acético (línea azul), mientras que en la sección de agotamiento se da la separación entre el agua y el metanol.

Figura 11. Diagrama de flujo de la columna T-101 de destilación reactiva

Figura 12. Composición de los productos de la columna T-101 de destilación reactiva

Esto demuestra claramente la ventaja de la destilación reactiva, hacer reaccionar la mayor parte de ácido hacia la parte inferior de la zona reactiva y el consumo de alcohol hacia la parte superior de la zona reactiva. Esto hace que la separación sea más fácil.

Figura 13. Perfil de composiciones en fase líquida en la columna T-101 de destilación reactiva

34. COLUMNA DE DESTILACIÓN DISCONTINUA (BATCH) 1. OBJETIVOS 1. Simular una columna de destilación discontinua. 2. Especificar una columna de destilación discontinua utilizando una subrutina en Aspen Plus.

3. INTRODUCCIÓN La destilación batch es ampliamente usada para separación de componentes en especialidades químicas e industrias farmacéuticas. Comparada con la destilación continua, sigue siendo una forma económicamente efectiva de separar cantidades relativamente pequeñas de materiales y provee un alto grado de flexibilidad en la operación. Cuando se crea un nuevo proceso de destilación batch es necesario encontrar un diseño óptimo que cumpla un número de requerimientos, algunos de los cuales podrán mostrarse conflictivos. Estos pueden incluir:     

Aseguramiento de la calidad requerida del producto. Maximizar la recuperación. Maximizar la producción. Minimizar el impacto ambiental. Minimizar los costos de capital.

Tan pronto un proceso es diseñado algunos requerimientos, como materias primas, calidad del producto y otros, pueden cambiar. La misma inversión puede ser utilizada para un proceso de destilación totalmente diferente. En esta situación se necesitará determinar el mejor uso de la misma inversión para alcanzar los nuevos requerimientos. Aspen Batch Distillation es una herramienta avanzada incorporada en Aspen Plus que sirve para el diseño y optimización de columnas de destilación discontinuas. Su método riguroso ofrece la capacidad de determinar rápida y económicamente el diseño óptimo y las condiciones de operación de una destilación batch. Aspen Batch Distillation puede ser usado para reducir tiempos en las operaciones batch o mejorar recuperación de productos manteniendo las condiciones de pureza requeridas.

4. PROCESO ESTUDIADO El proceso de separación que se llevará a cabo consiste en la recuperación del metanol contenido en una muestra de 18 kmol de una mezcla metanol – agua con un contenido del 40

% mol en metanol que se alimenta a una columna de destilación por lotes. Se propone que los productos recuperados contengan por lo menos una concentación del 99 % mol en metanol (el producto de tope) y agua (el producto de fondo). La columna contiene un recipiente en el fondo recubierta con una camisa de calentamiento y una batería de platos encima del recipiente. Esta mezcla es no ideal dada la polaridad de las moléculas. Por lo tanto, para una presión de trabajo de 1 atm se seleccionará el modelo NRTL para modelar las propiedades físicas de la mezcla. Para llevar a cabo la simulación de un proceso de destilación por lotes de la mezcla planteada se detallan, a continuación, el paquete fluido y el procedimiento de construcción y especificación de la columna

5. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

NRTL

Componentes:

Metanol y Agua

Reacciones:

No hay

Sistema de unidades:

ENG

6. SIMULACIÓN DEL PROCESO Seleccione el modelo BatchSep contenido en la librería de modelos en el panel Columns, para instalar una columna de destilación discontinua (T-101) en la ventana principal de la simulación y conecte una corriente de alimentación (ALIMENTO), una corriente de tope (METANOL) y una corriente de fondo (AGUA) como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Columna de destilación bath – Modelo BathSep

Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Components e introduzca los compuestos METHANOL y WATER y llámelos METANOL y AGUA, respectivamente. Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Specifications de la carpeta Properties y seleccione a NRTL como el modelo termodinámico. Presione el botón Next, y observe que la carpeta Parameters completa las especificaciones faltantes que son los parámetros binarios del modelo termodinámico seleccionado anteriormente. Presione el botón Next, se despliega la ventana del formulario Input de la carpeta correspondiente a la corriente de entrada ALIMENTO, que a su vez se encuentra dentro de la carpeta Streams. Las especificaciones de la corriente de alimento son 18 kmol/h, 40 % mol en metanol y 60 % mol en agua, 1 atm y 30 °C. Observe la Figura 2.

Figura 2. Especificaciones de la corriente ALIMENTO

Presione el botón Next, se despliega la carpeta Blocks y dentro de esta se despliega la carpeta T-101. Se observa que los formularios incompletos son los denominados Main y Variables. Con la ventana del formulario Main se abre, a la derecha del árbol de navegación, otro árbol que corresponde al conjunto de carpetas y formularios donde se introducen las especificaciones requeridas para la simulación de la columna de destilación batch, es decir la subrutina denonimada Aspen Batch Distillation En el árbol de navegación para la subrutina Aspen Batch Distillation, se encuentra abierta la pagina Setup y a su derecha el panel Configuration donde se especifica el número de etapas de equilibrio en la columna (10) y las fases válidas en la simulación (Líquido-Vapor). Observe la Figura 3.

Figura 3. Especificación de la Configuración de la columna

En el panel Pot Geometry introduzca las dimensiones del calderín o recipiente donde se deposita y se calienta la muestra de metanol-agua a destilar. Observe la Figura 4.

Figura 4. Especificación del Pot Geometry de la columna

En el panel Pot Heat Transfer (Transferencia de calor en el recipiente de fondo) dentro del cuadro Jacket (camisa para el flujo del servicio de calentamiento) seleccione el cuadro de verificación Heating y también el cuadro de verificación Jacket covers bottom. Observe la Figura 5.

Figura 5. Especificación del Pot Heat Transfer de la columna

En el panel Condenser, en el cuadro desplegable Condenser type seleccione la opción condensador total (Total). Aspen Plus lo activa por defecto. Observe la Figura 6.

Figura 6. Especificación del Condenser de la columna

En el panel Reflux, en el cuadro desplegable Reflux specification seleccione la opción flujo molar de destilado (Distillate mole flow rate) y asígnele un valor de 4.5 kmol/h. Active la casilla tanque de reflujo (Reflux drum present). Observe la Figura 7.

Figura 7. Especificación del Reflux de la columna

En el formulario Jacket Heating de la página Setup del árbol de Aspen Batch Distillation, en el cuadro desplegable Heating options seleccione la opción Specified duty y en el cuadro Duty introduzca un flujo de energía de 150 KW. Observe la Figura 8.

Figura 8. Especificación del Jacket Heating de la columna

Haga click en el formulario Pressure/Holdups y en el panel Pressure especifique la presión en el condensador (Condenser pressure) en 1.01325 bar. Fije también la caída de presión en 0,1 bar (Column pressure drop). Observe la Figura 9. En el panel Holdups especifique el volumen como la unidad básica para dimensionar la residencia en recipientes y platos (Holdup basis), Asigne al tambor de reflujo (Reflux drum liquid holdup) un volumen de residencia de 0.02 m3 y a las etapas 2 a 9 un volumen de residencia de 0.005 m3. Observe la Figura 10.

Figura 9. Especificación de Pressure de la columna

Figura 10. Especificación de Holdups de la columna

En el formulario Initial Conditions que se encuentra dentro de la carpeta Internals y en la ventana del panel Main fije el reflujo total (Total reflux) como condición inicial (cuadro Initial condition). Observe la Figura 11. En el panel Initial Charge, seleccione el radio botón Specify total charge, en el botón desplegable Charge basis seleccione la opción Mole y en el radio botón Total initial charge introduzca una carga inicial de 18 kmol. Observe la Figura 12 En el panel Distillate receivers, seleccione en el cuadro Composition basis la opción Molefrac, para el recibidor (Receiver) número 1 cuya carga inicial total (Total initial charge) es de 18 kmol. En la tabla que se observa en la parte inferior y en columna de composición inicial (Initial composition) introduzca una composición de 0.99 para el METANOL y DE 0.01 para el AGUA. Observe la Figura 13

Figura 11. Especificación de Initial condition de la columna

Figura 12. Especificación de Initial Charge de la columna

Figura 13. Especificación de Initial Charge de la columna A continuación se introducen los parámetros de operación que son:

 

Comenzar la producción manteniendo un flujo de destilado de 4.5 kmol/h. Detener la producción cuando la fracción de agua en el destilado se aproxime a 0.01. la operación en este punto se ha completado.

En el explorador de Batch Distillation, despliegue la carpeta Operating Steps. Presione el botón New que aparece en el lado derecho de la ventana para crear una nueva operación con el nombre de Distil. Seleccione el formulario Distil y en la pestaña Changed Parameter seleccione Reflux Splitter, Destilate mole rate como ubicación (Location) y fije un valor de 4.5 Kmol/h. Observe la Figura 14.

Figura 14. Especificación del divisor del reflujo en la columna

En la pestaña End Condition se definen las condiciones de parada de la simulación como se observan en la Figura 15. Las especificaciones necesarias han sido introducidas y la simulación deberá correr satisfactoriamente.

7. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN En el explorador de Aspen Batch Distillation, se pueden desplegar algunas ventanas que muestran los resultados de la simulación. Por ejemplo, al presionar el formulario Time Profiles se despliega una ventana con varios paneles que muestran los perfiles de algunas variables con el tiempo para distintas localizaciones dentro del ensamble de la columna de destilación batch.

Figura 15. Especificación de las condiciones finales en la columna

Si en la ventana correspondiente al formulario Time Profiles, se presiona el panel Composition y en el cuadro Location se selecciona la opción Pot, se desplegará una tabla que muestra la variación con el tiempo de la composición de metanol y de agua en el recipiente colocado en el fondo de la columna. Observe la Figura 16.

Figura 16. Perfiles de las composiciones en la base de la columna con el tiempo

Haciendo una selección de las tres columnas y haciendo un clic derecho sobre el área sombreada se desplegará un menú contextual que al seleccionar la opción Plot se despliega una ventana que muestra dichos resultados en forma gráfica. Observe la Figura 17.

Figura 17. Perfil gráfico de las composiciones en la base de la columna

Los perfiles muestran que se requieren, aproximadamente, 5400 segundos (1.5 horas) para que en recipiente del fondo de la columna de destilación el contenido de metanol sea de cero y, por el contrario, el contenido sea completamente agua. Al presionar el formulario Profile Results se despliega una ventana con varios paneles que muestran los perfiles de algunas variables a lo largo de las etapas de la columna de destilación. En la Figura 18 se muestran los perfiles gráficos de las composiciones de metanol y agua a través de cada una de las etapas que constituyen la columna de destilación. En la Figura 19 se muestra un resumen elaborado dentro del formulario Custom Stream Summary incluido dentro del árbol de navegación de Aspen Plus. Se muestran las composiciones en fracción mol de las corrientes conectadas a la columna simulada. Se observa que la corriente de tope llamada METANOL tiene un 99 % mol en metanol mientras que la corriente de fondo llamada AGUA tiene un 95 % mol en agua.

Figura 18. Perfil gráfico de las composiciones en cada etapa de la columna

Figura 19. Composiciones finales de las corrientes de alimento y de producto

Se recomienda que se revisen cada uno de los formularios que aparecen en el árbol de navegación de Aspen Bath Distillation debajo de las carpetas Operating Steps donde se pueden ver otros resultados importantes obtenidos en la simulación de la columna.

SECCIÓN V SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

35. PRODUCCIÓN DE ACETONA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el proceso de la producción de Acetona a partir de la deshidrogenación de Alcohol Isopropílico, en estado estacionario asistido por Aspen Plus. 1.2. Simular un reactor multitubular con intercambio de calor.

INTRODUCCIÓN La acetona se fabrica principalmente mediante los procesos de per oxidación del cumeno o la deshidrogenación del alcohol isopropílico (2 – propanol). En el primer proceso, que es el más utilizado, el cumeno se oxida hasta hidroperóxido, el cual se rompe para producir acetona y fenol. En este proceso se producen grandes cantidades de benceno como subproducto. En el segundo proceso, que es mucho más costoso, el alcohol isopropílico se deshidrogena catalíticamente para obtener acetona e hidrógeno. En muchos países como Rusia, Egipto, Brasil e India, se utiliza la fermentación de almidón de maíz y melazas para la producción de acetona. Algunas compañías recuperan la acetona como un subproducto de otros procesos industriales, como la producción de ácido acético y de etanol.

PROCESO ESTUDIADO 1.1.PAQUETE FLUIDO Ecuación: UNIQUAC Componentes: Alcohol isopropílico, Acetona, Hidrogeno, Agua, DOWTHERM-RP. Reacción:

Tipo: Cinético Estequiometria: La reacción que tiene lugar en el reactor es la siguiente:

(CH3 ) CHOH → (CH3 ) CO + H2 2

Alcohol Isopropílico

2

Acetona

Hidrógeno

La anterior reacción es endotérmica con un calor estándar de reacción de 62.9 kJ/mol. En realidad, algunas reacciones pueden ocurrir produciendo propileno, diisopropiléter, acetaldehído, y otros hidrocarburos. La ecuación de velocidad de reacción está dada por:

-rIPA =k1 CIPA

mol IPA m3 cat-seg

Siendo CIPA =

mol IPA m3 gas

Donde la constante de velocidad k es:

k1 = 1.2636x109 exp [-

72380 m3 gas ] 3 RT m cat-h

La energía de activación esta en unidades de kJ/kmol.

3.2. DIAGRAMA DEL PROCESO El diagrama de flujo del proceso para producir acetona a partir de la deshidrogenación de alcohol isopropílico se muestra en la Figura 1

3.2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Se alimenta una corriente de alcohol isopropílico y agua, la cual se llama IPA con una composición del 67 % mol de Alcohol Isopropílico y 33 % mol de agua (51.96 kmol/h, 36ºC, 1.4 bar) y esta se mezcla con la corriente denominada RECICLO en el mezclador M401 con un flujo de 11 kmol/h, con 64.6 % mol de alcohol isopropílico, 35.4 % mol de agua, y unas trazas de acetona, a 88°C y 1.4 bar. Esta mezcla se alimenta a un vaporizador.

FIGURA 1. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETONA

La corriente de salida, con una temperatura de 234°C y 2.16 bar, entra a un reactor multitubular en cual se produce la deshidrogenación del IPA en fase vapor a una temperatura de 330°C y con caída de presión a 0.25 bar. La corriente de entrada al reactor contiene, aproximadamente 66 % mol de alcohol isopropílico, 33 % mol de agua y menos del 1 % mol de acetona. La corriente de salida del reactor pasa por dos intercambiadores, en el primero la corriente se condensa hasta 62.7°C. Posteriormente, en el segundo disminuye su temperatura hasta los 48°C. Este condensado se separa en un depósito flash, en donde el vapor se alimenta a una columna de absorción para recuperar una parte de la acetona y separarla del hidrógeno. El líquido que sale de esta torre se mezcla con la corriente de fondos del absorbedor y se alimenta a una primera columna de destilación. En esta columna se separa el producto de acetona por el tope, además se dispone de una corriente de venteo con el fin de evitar la acumulación de no condensables. La corriente de fondos de esta columna con, principalmente, agua e IPA, se alimenta a una segunda columna de destilación donde se separa el agua por el fondo y por el tope se obtiene la corriente RECICLO.

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se crea una nueva simulación seleccionando la opción New, Blank Simulation y se oprime el botón Create. En la carpeta de componentes de Aspen Properties se añaden: Alcohol Isopropílico, Acetona, Hidrógeno, Agua, y DOWTHERM-RP. La ventana se observa como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Componentes de la simulación

A continuación, se presiona el botón Next, se despliega la carpeta Methods, allí se elige el modelo UNIQUAC. Se presiona el botón Next, para verificar los parámetros de interacción binaria. Se procede entonces al ambiente de la simulación.

Edición de la reacción química Una vez allí diríjase a la carpeta Reactions. Agregue una nueva reacción R-1 y en la casilla Select Type seleccione la opción POWERLAW y después presione el botón OK, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Creación de nueva reacción

En la ventana desplegada con título Edit Reaction, seleccione el tipo de reacción como cinética (Kinetic) en el cuadro Reaction Type. Ingrese el reactivo (en el cuadro Reactants) y los productos (en el cuadro Products) con sus respectivos coeficientes estequiométricos, tal como se muestra en la Figura 4. En el cuadro Reactants digite el número 1 en la casilla debajo del encabezado Exponent y que corresponde al orden cinético de la reacción. Presione el botón Next para desplegar el panel Kinetic mostrado en la Figura 5

Figura 4. Estequiometria de la reacción.

Figura 5. Panel Kinetics (Especificación de las características cinéticas de la reacción.

En el panel Kinetic, seleccione la fase de la reacción como Vapor en el cuadro Reacting Phase, seleccione la opción Reac (vol) en el cuadro Rate basis para especificar las unidades básicas de la velocidad de reacción, en el cuadro k digite el valor de la constante de la ecuación de Arrhenius, en el cuadro n digite el valor cero, en el cuadro E digite el v alor de la energía de activación en kJ/kmol y en el cuadro [Ci] basis seleccione la opción Molarity. Observe la Figura 5. Alimento: Instale una corriente con el nombre IPA, con una temperatura de 36°C y 1,4 bar de presión, con flujo molar de 51,96 Kmol/hr, conformado por 67 % mol Alcohol Isopropílico, y 33 % mol de agua, en fracción molar. Observe la Figura 6.

Figura 6. Especificaciones de la corriente IPA.

Mezclador M-401: Instale un mezclador y nómbrelo M - 401, asígnele como corriente de salida 2. Agregue una bomba (nómbrela como P - 401) e ingrese la corriente 2 como entrada y 3 como corriente de salida, especifique la presión de descarga de la bomba como 2,5 bar. Observe la Figura 7.

Figura 7. Especificación de la Bomba P- 401

Intercambiador E-401: Agregue un intercambiador de calor de tubo y coraza usando la plantilla HeatX. Cambie el ícono haciendo click derecho sobre él y seleccione la opción Exchange Icon que se encuentra en el menú desplegado. Asigne como entrada por la coraza la corriente 3 y cree la corriente 4 como salida de la coraza, por los tubos cree la corriente HPS-IN y HPS-OUT como corrientes de entrada y salida por los tubos, respectivamente. En el panel Specifications y en el cuadro Exchanger specification seleccione la especificación Cold stream outlet temperature (temperatura de salida de la corriente fría) y en el cuadro Value especifique un valor de 234°C. Observe la Figura 8. Las especificaciones que no se han incluido en este párrafo se dejan en sus valores por defecto En el panel Pressure drop (caída de presión) seleccione la opción Cold side en el cuadro Side. En el marco titulado Cold side pressure options asígnele un valor para la presión de salida de 2,16 bar por el lado frío en el radio botón Outlet pressure. Observe la Figura 9. Los métodos de estimación de los coeficientes globales de transferencia de calor se dejan en sus valores por defecto como aparecen en el panel U Methods. La corriente de materia HPS-IN específiquela como se señala en la Figura 10, con un flujo de 2990 Kg/segundo, una temperatura de 254 °C, una presión de 42.37 bares y una composición del 100 % de agua.

Figura 8. Especificaciones del intercambiador E-401.

Figura 9. Especificación de la caída de presión en el lado frio del intercambiador E-401.

Figura 10. Especificaciones de la corriente HPS-IN.

Hasta ahora el diagrama de flujo del proceso debe verse como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Diagrama del proceso

Reactor: A continuación instale un reactor tubular seleccionando el modelo RPlug, cámbiele el icono como se mencionó anteriormente, alimente la corriente 4 al reactor y descárguelo con la corriente 5. Añada la corriente DOW-IN y DOW-OUT como entrada y salida del fluido de calentamiento al reactor. En el panel Specifications del seleccione como tipo de reactor: Reactor with co-current termal fluid, en el cuadro Heat Transfer Specification seleccione el radio botón Specify heat tranfer parameters, y asígnele un valor de 0.6 kJ/s-m2C. Observe la Figura 12.

Figura 12. Panel Specifications del reactor multitubular R - 401.

En el panel Configuration especifique el reactor como se muestra en la Figura 13. Seleccione el radio botón Multitube Reactor y especifique un número de tubos de 32 (en el cuadro Number of tubes). En el marco titulado Tube dimensions especifique una longitud (Length) de 0.9 m y un diámetro (Diameter) de 0,0254 m. Las especificaciones dentro del marco titulado Valid phases manténgalas en sus valores por defecto.

Figura 13. Configuración del reactor R-401

A continuación, despliegue el panel Reactions y observe que el marco se titula Select reaction sets to be included in the model. Traslade la reacción R-1 del cuadro Available reaction sets al cuadro Selected Reactions sets.

Figura 14. Reacciones en el reactor R - 401

A continuación, despliegue el panel Pressure y asígnele, a la corriente de proceso que atraviesa el reactor, una caída de presión de 0.25 bar como se muestra en la Figura 15.

Figura 15. Caída de presión en la corriente de proceso en el reactor R – 401

Heater H-401: Instale un Heater y especifíque 450 °C de temperatura y 2 atm de presión. Observe la Figura 16. Conecte DOW-OUT como corriente de entrada y DOW-IN como corriente de salida. La corriente DOW-IN es Dowtherm-RP puro y se encuentra a una temperatura de 450 °C, 2 atm de presión, y un flujo másico de 2250 kmol/hr. Observe la Figura 17.

Figura 16. Especificaciones del H - 401

Figura 17. Especificaciones de la corriente DOW-IN

Intercambiador E-402: La corriente 5 ingresa a un intercambiador (seleccione el modelo HeatX del panel Exchangers y cámbiele el ícono), nómbrelo E-402, con la corriente 6 como salida. A su vez, ingresa agua de enfriamiento pura CW-IN, y sale CW-OUT. En el panel Specifications de su ventana de especificaciones y en el cuadro Exchanger specification seleccione la opción Cold stream outlet temperatura (temperatura de salida de la corriente fría) y en el cuadro Value digite una temperatura de 45 °C. Observe la Figura 18.

Figura 18. Especificaciones del intercambiador E – 402

Despliegue el panel Pressure Drop asígnele una presión de salida de 1.7 bar, del lado caliente. Observe la Figura 19.

Figura 19. Presión de salida del lado caliente del intercambiador E – 402

Luego especifique la corriente CW-IN como se observa en la Figura 20, es decir con temperatura de 30 °C, presión de 516 kPa, flujo de 2600 kmol/hora y composición de 100 % agua pura.

Figura 20. Especificaciones de la corriente CW-IN

Intercambiador E-403: instale un modelo HeatX del panel Exchangers y cámbiele el ícono, nómbrelo E-403 y conéctele como corriente de entrada la número 6, como corriente de salida la número 7, y como medio de enfriamiento las corrientes RW-IN y RW-OUT, para la entrada

y la salida por los tubos, respectivamente. Especifique la corriente RW-IN como agua pura a 10°C, 500 kPa, y 1800 kmol/hora. Observe la Figura 21

Figura 21. Especificaciones de la corriente RW-IN

En cuanto a las especificaciones del intercambiador E-403 introduzca la temperatura de salida de la corriente fría como 15°C en el panel Specifications, y en el panel Pressure Drop asigne una presión de salida de 1.5 bares del lado caliente. Observe las Figuras 22 y 23.

Figura 22. Especificaciones del intercambiador E-403

Figura 23. Caída de presión en el lado caliente – Intercambiador E-403

Después de esto corra la simulación y convergerá satisfactoriamente. El diagrama será el mostrado por la Figura 24.

Figura 24. Diagrama del proceso hasta el intercambiador E-403.

Tren de Columnas de Separación Separador V-401: Instale un separador Flash 2 que se encuentra en el panel Separator y cámbiele el ícono. Conecte la corriente 9 como salida de vapor y la corriente 8 como salida de líquido, además de una corriente de energía que entra al separador y asígnele un flujo de calor de 0. En el panel Specifications del separador, en el cuadro Flash Specification, seleccione la presión y asígnele un valor de cero, tal como se muestra en la Figura 25.

Figura 25. Especificación del separador V-401.

A continuación, presione el botón Next, la simulación debe correr sin errores ni advertencias.

Columna de Absorción T-401: Seleccione el modelo PackABS de la plantilla RadFrac de la paleta de objetos. Las corrientes de entrada de la columna son la número 9 y una corriente de agua pura llamada AGUA, agregue como corriente de salida por el tope la denominada HIDROGEN, y por el fondo la corriente 10. Especifique la corriente de agua como se muestra en la Figura 26, es decir, temperatura de 25 °C, presión de 2 bares, flujo de 22 kmol/hora y composición 100 % mol de agua.

Figura 26. Especificaciones de la corriente AGUA.

En el panel Configuration de la columna se establece que es una torre de equilibrio, con 13 etapas, sin condensador ni rehervidor, con fases Vapor-líquido. Observe la Figura 27.

Figura 27. Configuración de la columna T-401.

Luego en el panel Streams especifique que la corriente 9 entra por la etapa 13 y el agua entra por la etapa 1. En el panel Pressure se define la presión del condensador en 1.5 bar. Observe las Figuras 28 y 29.

Figura 28. Corrientes de la columna T-401.

Figura 29. Presión en la columna T-401.

Después que especifique la columna, presione el botón Next y la simulación debe converger satisfactoriamente.

Mixer M-402: Alimente las corrientes 8 y 10 a un Mixer (M-402), cuya corriente de salida será la número 11. Especifique como válida solo la fase líquida. Presione el botón Next y la simulación deberá converger satisfactoriamente.

Columna de destilación T-402: Instale una columna de destilación con el botón RadFrac, y en el panel Configuration de su ventana especifique que tiene 66 platos, un condensador Total, un rehervidor tipo Kettle. Además, un flujo de destilado (Distillate rate) de 20 kmol/hr, y una relación de reflujo (Reflux rate) de 10. Observe la Figura 30. En el panel Streams (Observe la Figura 31) se nota que la corriente de entrada se alimenta a la columna por la etapa 30, la corriente de producto denominada ACETONE se remueve por la etapa 1 (tope de la columna) y la corriente de fondo es la número 12 que se remueve por la etapa número 66. En el panel Pressure se especifica que la presión en el condensador de 1.5 bar. Observe la Figura 32

Figura 30. Configuración de la columna T-402.

Figura 31. Corrientes de alimento y productos a la columna T-402

Figura 32. Presión en el condensador de la columna T-402

Presione el botón Next y la columna convergerá satisfactoriamente.

Columna T-403: Ahora, se instala otra columna del mismo modelo que la anterior y en el panel Configuration se especifican 30 etapas de equilibrio, condensador total, rehervidor tipo Kettle, flujo de destilado de 11 kmol/hr, y relación de reflujo de 4. Observe la Figura 33.

Figura 33. Configuración de la Columna T-403.

En el panel Streams (Observe la Figura 34) se nota que la corriente 12 de entrada se alimenta a la columna por la etapa 10, la corriente de producto denominada RECICLO se remueve por la etapa 1 (tope de la columna) y la corriente de fondo es la denominada AGUA-DES que se remueve por la etapa número 30.

Figura 34. Corrientes de alimento y productos a la columna T-403

En el panel Pressure se especifica que la presión en el condensador de 1.5 bar. Observe la Figura 35.

Figura 35. Presión en el condensador de la columna T-402

A continuación se presiona el botón Next, y la simulación converge satisfactoriamente. Se conecta la corriente RECICLO como otra corriente de entrada al mezclador M-401 y se vuelve a correr la simulación.

Resultados de la simulación: En la Figura 36 se muestra un resumen de las propiedades de las corrientes de alimento y de productos obtenidas con la simulación. Se aprecia que la corriente de acetona obtenida como producto tiene una composición del 99.93 % molar y que para alcanzar su condensación se requiere una temperatura considerablemente baja de -222.172 °C. La corriente removida como AGUA-DES que se considera como a remoción de agua del proceso tiene un contenido de alcohol isopropílico del 26 % mol que siendo la materia prima para la producción de acetona se debe considerar la recuperación de este contenido de alcohol La corriente removida como HIDRÓGENO tiene un 87.7 % mol de hidrógeno y se completa con presencia de acetona y agua.

Figura 35. Especificaciones de las corrientes de alimento y de productos del proceso