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INTRODUCCION A LA INFORMATICA DE INGENIERÍA QUÍMICA Guía de Práctica para Aspen Plus V8.8

Universidad Técnica Particular de Loja December 12, 2017

Ecuador

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Y CIENCIAS EXACTAS SECCIÓN DE INGENIERÍA DE PROCESOS LABORATORIO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

INTRODUCCIÓN A LA INFORMÁTICA DE INGENIERÍA QUÍMICA

REVISIÓN: 01 FECHA: 11/01/2018

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INTRODUCCIÓN Las computadoras han revolucionado la forma en que los ingenieros químicos diseñan y analizan procesos, ya sea diseñando unidades grandes para fabricar polietileno o microrreactores pequeños para detectar agentes biológicos. Los programas de computadora ahora pueden resolver problemas difíciles en una fracción del tiempo que solía tomar. Hoy en día, ya no tiene que escribir sus propios programas de software para usar las computadoras de manera efectiva. Los programas de computadora pueden hacer los cálculos numéricos por usted, pero aún deberá comprender cómo aplicar estos programas a desafíos de ingeniería específicos.

TERMODINÁMICA La termodinámica es la parte de la física que se encarga de estudiar todos los fenómenos que se relacionan con el calor. Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras. También analiza los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o viceversa. Ejemplo: 1.- La siguiente corriente sale de una torre de destilación. Está a 36 psia y 141.5 °F. Si la presión se reduce (adiabáticamente) a 20 psia, ¿cuál será la fracción de vapor y la temperatura ?. Químico n–Butano i–Pentano n–Pentano

Lb mol/h 4.94 396.00 499.65

Solución: Al abrirse el programa se da click en New/InstalledTemplates/General with English Units/Create, se puede observar en la Figura 1.

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Figura 1.1. Nueva hoja con unidades a trabajar

A continuación se ingresa los componentes Propane, Isobutane, n-butane, Isopentane (2METHYL-BUTANE) y n-Pentane. En el caso del hidrocarburo Isopentane y de algún otro que no se pueda escribir en el recuadro se recomienda dar click en Find, aparece una nueva ventana donde se selecciona Contains, se escribe el nombre del componente, click en Find Now, se selecciona el componente y click en Add selected compounds/Close. Una vez ingresados todos los componentes se da click en Next, ya que ayudará a pasar a la siguiente viñeta para ingresar los datos faltantes. (Ver figura 1.2 y 1.3)

Figura 1.2. Ingresando componentes

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Figura 1.3. Listado de componentes

Se debe seleccionar el método que se va a emplear para el desarrollo del ejercicio, por lo tanto, en la misma sección (Properties) seleccionamos la carpeta Methods, luego en Methods filter se coge la opción All, para que aparezcan todos los métodos, después se puede seleccionar Base method o Method name y escoger el método de Redlich–Kwong–Soave (RK–Soave), ya que en este caso se trabaja con hidrocarburos. (Ver figura 1.4.)

Figura 1.4. Método (Redlich–Kwong–Soave)

Para empezar a dibujar el proceso, como se ve en la Figura 1.5., se selecciona la sección Simulation; en este caso se necesita una columna de destilación, para ello se da click en Columns/DSTWU y click en la hoja blanca. Para dibujar las líneas de entrada o salida se selecciona en Material, donde van aparecer en el destilador una flechas rojas, en el cual se da un click y se lo extiende un poco. En la primera línea que será la corriente de entrada se da doble click y aparece una nueva ventana (Figura 1.6.) para ingresar los siguientes datos: 10 en Reflux ratio, en Comp se selecciona el propane y en Racov se ingresa la cantidad de 0.99 (Light key), en Comp se selecciona el isobutane y en Racov se ingresa la cantidad de 0.01 (Heavy key) y tanto

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en Condenser como en Reboiler se ingresa la cantidad de 36 psia (Pressure).Se selecciona en Run. Se regresa al dibujo del destilador y se da doble click, a continuación aparece una ventana (Figura 1.7.) para ingresar la alimentación de cada hidrocarburo, temperatura (75 °F) y presión (36 psia).

Figura 1.5. Destilador para el iniciar el proceso

Figura 1.6. Datos de la columna B1

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Figura 1.7. Datos de material 1

Las fracciones deben salir en mol para ello se selecciona la carpeta Setup/Report Options/Stream/Fraction basis/Mole; seleccionar Run. (Figura 1.8.) Para ver lo resultados que se deben ingresar en la nueva columna se da click en Results (Figura 1.9.); en este caso en una hoja de Excel se coloco los resultados que se obtuvo (Figura 1.10.). Se procede a borrar la columna anterior y se pone una nueva columna Distl, se da doble click en el centro de la columna (Figura 1.11.) y se llenan los datos con los resultados obtenidos anteriormente. (Figura 1.12.)

Figura 1.8. Fraction Basis

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Figura 1.9. Resultados de B1

Figura 1.11. Columna Distl

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Figura 1.10. Resultados en Excel

Figura 1.12. Datos Columna Distl B3

Se procede a poner una VALVE (para reducir la presión) y un FLASH2 y se realizan las conexiones, para la valvula, dando click derecho sobre la línea 3, se pone Reconnect / Reconnect Destination y se une con la válvula y para el flash2 se realiza lo mismo pero aquí se selecciona sobre la línea 4 (ver figura 1.13.).

Figura 1.13. Reconexiones para la valvula y flash2

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Se hace doble click sobre la válvula para ingresar el valor de la presión que se reduce adiabáticamente que es de 20 psia. (Figura 1.14.), se selecciona Next ya que aparece una ventana nueva para poder ingresar los datos del flash2 que son la temperatura (141.5 °F) y la presión (20 psia), se puede observar en la Figura 1.15.

Figura 1.14. Datos de la válvula

Figura 1.15. Datos del Flash2

Finalmente se observan en la Figura 1.16 la tabla de resultados del ejercicio; se lo obtener dando click en Results Sumary/Streams, y se ve los valores de la fracción de vapor (0.119) y temperatura (63.7 °F) que pide el ejercicio.

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Figura 1.16. Resultados del ejercicio

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EQUILIBRIO QUÍMICO En un proceso químico, el equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo. Normalmente, este sería el estado que se produce cuando una reacción reversible evoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa. La velocidad de reacción de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos. Este proceso se denomina equilibrio dinámico. Ejemplo: 2.- Un proceso para hacer que el hidrógeno use gas de un reformador; el gas se alimenta a un reactor donde tiene lugar la reacción de cambio agua-gas. En condiciones de funcionamiento normales, la corriente que sale del reactor está en equilibrio a la temperatura de salida (o cerca de ella). La velocidad de alimentación a esta parte del proceso es (en lbmol / h), a 1778ºC y 1.36 atm: CO, 1260; H2, 932; CO2, 140; vapor, 1972. La corriente va a un reactor, y la salida del reactor está en equilibrio químico a 377ºC. La constante de equilibrio a 377C es 15.6. Encuentre la composición de equilibrio que sale del reactor usando (1) Excel; (2) MATLAB; y (3) Aspen Plus con el bloque RGibbs. Solución: Primero se crea una nueva hoja, luego se ingresa todos los componentes que indica el ejemplo, luego se selecciona Next (Fig. 1.1) y seguido aparece una nueva ventana la cual se debe seleccionar el método que se va a utilizar para desarrollar el ejercicio, nuevamente seleccionar Next para que aparezca una viñeta con varias opciones la cual se va a seleccionar Go to Simulation environment para después proceder a dibujar (Fig. 1.2).

Figura 1.1

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Figura 1.2 Ahora para la simulación se va a colocar el reactor RGibbs, le añadimos las corrientes y se selecciona Next y aparece una ventana sobre la corriente (1) que es la alimentación y se va a poner los datos que nos da el ejercicio, nuevamente se selecciona Next y nos aparece una ventana para llenar los datos del reactor, se selecciona Run para verificar los posibles errores (Fig. 1.3).

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Figura 1.3

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Ahora para obtener los resultados en fracción molar, se procede a seleccionar Setup/Report Options/Stream/Fraction basis/Mole y se selecciona Run; a continuación se procede a Blocks/B2/Stream results para ver los resultados (Fig. 1.4). Para obtener el valor de equilibrio se utiliza la ecuación 1.1.

Figura 1.4 Cálculo de la constante de equilibrio

𝐾= 𝐾=

𝑌𝐶𝑂2 𝑌𝐻2 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟏. 𝟏) 𝑌𝐶𝑂 𝑌𝐻2𝑂

0.284 ∗ 0.468 0.1329 = = 15.82 0.041 ∗ 0.206 0.0084