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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2”

AREQUIPA – 2010

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PRESENTACIÓN Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Procesos Señora Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Química Señores Miembros del Jurado “SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2” ÍNDICE i i PRESENTACIÓN........................................................................................................ii ÍNDICE DE FIGURAS...............................................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................xiv CAPITULO I..............................................................................................................15 GENERALIDADES....................................................................................................15 PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN...........................................................................15 ANTECEDENTES.....................................................................................................15 FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN.....................................16 OBJETIVOS..............................................................................................................17 OBJETIVO GENERAL..............................................................................................17 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.....................................................................................17 JUSTIFICACIÓN.......................................................................................................17 JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA...........................................................................17 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA................................................................................18 JUSTIFICACIÓN SOCIAL.........................................................................................18 ALCANCES...............................................................................................................18 RESTRICCIONES.....................................................................................................19

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HIPÓTESIS...............................................................................................................19 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS......................................................................19 20 CAPÍTULO II.............................................................................................................21 Marco conceptual ...................................................................................................21 SIMULADOR HYSYS...............................................................................................21 SIMULACION DE PROCESOS................................................................................23 SIMULADOR HYSYS...............................................................................................23 ENTORNO HYSYS...................................................................................................24 ABRIR SESIÓN.........................................................................................................24 INICIAR UN NUEVO CASO......................................................................................26 INGRESO DE COMPONENTES..............................................................................27 EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE......................................................30 EXPORTANDO FLUID PACKAGES.......................................................................34 GUARDANDO EL TRABAJO....................................................................................35 INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN. ..................................................36 ADICIONANDO CORRIENTES ...............................................................................38 CÁLCULOS INSTANTÁNEOS..................................................................................47 EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS......................................................48 HYSYS Y TERMODINÁMICA...................................................................................50 SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES.............................................50 ECUACIÓN DE ESTADO.........................................................................................51 MODELOS PARA ACTIVIDADES...........................................................................52 PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS..................................................53 MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN...............................................................54 DEFINICIÓN DE DESTILACION..............................................................................54 TIPOS DE DESTILACION........................................................................................55 CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE PLATOS...................................................................................................60 MARCO TEORICO DE REACTORES......................................................................64

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DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA. .................................................................64 DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO. ..................................................................66 REACTOR CSTR......................................................................................................70 CREACIÓN DEL MODELO......................................................................................80 PROCESO DE SIMULACIÓN...................................................................................80 CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR...............................................81 ETILENGLICOL........................................................................................................82 DIETILENGLICOL.....................................................................................................84 ÓXIDO DE ETILENO................................................................................................85 CAPÍTULO III............................................................................................................87 PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA.............................87 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................87 VARIABLES A EVALUAR ........................................................................................87 MATERIALES Y EQUIPOS......................................................................................88 ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO..............................................88 RECOLECCIÓN DE DATOS....................................................................................89 SIMULACIÓN DEL PROCESO.................................................................................90 CINÉTICA DEL PROCESO......................................................................................96 DISEÑO DE FLOWSHEET....................................................................................102 3.7BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA..............................................................123 SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO............................................................124 CAPÍTULO IV..........................................................................................................139 RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................139 EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS.........................................................................139 APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A PRUEBAS ................................................................................................................147 EVALUACIÓN DE RESULTADOS DE ACUERDO AL MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN.....................................................................................161 ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN.........................................164 CONCLUSIONES ...................................................................................................165 Inicialmente construímos el flowsheet de la producción de Dietilenglycol, iv

quedando completamente diseñado todo el proceso como se especificó y con lo que se cumple con el primer objetivo..............................................................165 Después de ajustar la variables de ingreso, como son los flujos másicos de ingreso, la temperatura y la presión de trabajo que son las condiciones de operación se resolvieron los balances de masa y energía de cada equipo utilizado, en las diferentes utilidades que presenta el proceso, para resolver los balances en el reactor se analizó la cinética de reacción.................................165 Evaluada la información teórica de la cinética de reacción de las diferentes reacciones que se llevan a cabo al mezclarse los flujos másicos de alimentación, cargamos la información en el simulador y obténdremos los resultados correspondientes que al optimizarlos nos dan una producción de 0.4163 en fracción molar del Dietilenglicol en el flujo de salida del reactor, el que inicialmente sólo era de 0.2497,con lo cual conseguimos óptimizar este proceso de reacción..............................................................................................165 Se diseñó completamente el mixer, el reactor y la columna de destilación necesaria, optimizando y balanceando completamente todas sus corrientes de flujo de ingreso y salida de todos ellos...............................................................165 Se simuló todo el proceso obteniéndose las composiciones de todos los equipos como se muestra en el workbook, herramienta o facilidad que nos entrega el simulador y que nos muestra como finalmente queda el proceso..165 La eficiencia obtenida en el proceso de reactor para la diferentes reacciones llevadas a cabo fue de 49.98 % de porcentaje de conversión respectivamente. Asi mismo la obtención del producto en la cola del destilado fue de 99.9 % en fracción molar del DeGlycol.................................................................................166 Finalmente podemos afirmar que con el simulador Hysys se puede modelar y simular un proceso industrial y optimizar su condiciones de operación, con lo que se puede ahorrar el proceso de investigación en laboratorio, asi como corregir operaciones en planta. ..........................................................................166 RECOMENDACIONES...........................................................................................167 Si bien se ha demostrado lo planteado en nuestros objetivos, sería de mucha importancia profundizar el uso del simulador Hysys y aprovechar profundamente las facilidades que presenta este simulador............................167 Se recomienda el uso de este simulador Hysys en su nueva versión para el proceso de productos electrolíticos que esta versión aún no estaba disponible. 167 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................168

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vi

ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 2.1 Inicio de Hysys-----------------------------------------------------------------11 FIGURA 2.2 Simulations Basis Manager------------------------------------------------13 FIGURA 2.3 Componentes del Simulations Basis Manager------------------------14 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

FIGURA 2.4 Lista de Componentes------------------------------------------------------- 16 FIGURA 2.5 Lista de Componentes------------------------------------------------------- 16 FIGURA 2.6 Fluid Package------------------------------------------------------------------ 18 FIGURA 2.7 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20 FIGURA 2.8 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20 FIGURA 2.9 Export Fluid Package Binary Coefficient------------------------------- 21 FIGURA 2.10 Save Export Fluid Package----------------------------------------------- 21 FIGURA 2.11 Guardar su trabajo---------------------------------------------------------- 22 FIGURA 2.12 Pagina de simulación de Hysys 3.2------------------------------------23 FIGURA 2.13 Simulación de un Proceso------------------------------------------------ 24 FIGURA 2.14 Flujo desde la Paleta de Objetos--------------------------------------- 25 FIGURA 2.15 Visor de Propiedades------------------------------------------------------25 FIGURA 2.16 Ingresando datos------------------------------------------------------------ 26 FIGURA 2.17 Ingresando Composición-------------------------------------------------- 26 FIGURA 2.18 Ingresando Composición en flujo---------------------------------------27 FIGURA 2.19 Completando Composición en flujo------------------------------------27 FIGURA 2.20 Completando propiedades------------------------------------------------ 28

vii

FIGURA 2.21 Workbook---------------------------------------------------------------------28 FIGURA 2.22 Ingresando datos al Workbook------------------------------------------29 FIGURA 2.23 Ingresando datos de composición-------------------------------------- 29 FIGURA 2.24 Workbook completo--------------------------------------------------------30 FIGURA 2.25 PFD----------------------------------------------------------------------------- 30 FIGURA 2.26 Visor de Propiedades------------------------------------------------------31 FIGURA 2.27 Composición en fracción molar-----------------------------------------31 FIGURA 2.28 Corrientes creadas---------------------------------------------------------- 32 FIGURA 2.29 Composición de Corrientes en el Workbook------------------------- 32 FIGURA 2.30 Composición de Corrientes de Tolueno------------------------------33 FIGURA 2.31 Composición del workbook----------------------------------------------- 34 FIGURA 2.32 Punto de Roció--------------------------------------------------------------- 34 FIGURA 2.33 Punto de burbuja------------------------------------------------------------35 FIGURA 2.34 Corriente totalmente definida--------------------------------------------35 FIGURA 2.35 Elección de modelo termodinámico------------------------------------39 FIGURA 2.36 Diagrama de balances de materia para una columna de fraccionamiento continúo.-------------------------------------------- 47 FIGURA 2.37 Esquemas de reactores CSTR------------------------------------------56 FIGURA 2.38 Diagrama causal de la operación del reactor CSTR con intercambio de calor, en el que ocurre una reacción exotérmica-------------------------------------------------------- 57

viii

FIGURA 2.39 Modelo a simular------------------------------------------------------------65 FIGURA 3.1 Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol---68 FIGURA 3.2 Algoritmo de simulacion---------------------------------------------------69 FIGURA 3.3 Preferencia de Unidades--------------------------------------------------71 FIGURA 3.4 Editando Unidades------------------------------------------------------72 FIGURA 3.5 Editando Unidades----------------------------------------------------------- 72 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------FIGURA 3.6 Editando Fluid Package---------------------------------------------------- 73 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------FIGURA 3.7 Editando Modelo termodinamico----------------------------------------73 FIGURA 3.8 Editando Modelo termodinamico-----------------------------------------74 FIGURA 3.9 Componentes seleccionados---------------------------------------------74 FIGURA 3.10

Coeficientes binarios-----------------------------------------------------75

FIGURA 3.11

Pagina de reacciones----------------------------------------------------76

FIGURA 3.12

Añadiendo componentes------------------------------------------------76

FIGURA 3.13

Estequiometria de las reacciones-------------------------------------77

FIGURA 3.14

Seleccionando modelo cinético---------------------------------------78

FIGURA 3.15

Constantes de reacción-------------------------------------------------78

FIGURA 3.16

Seleccionando segundo modelo cinético---------------------------79

FIGURA 3.17

Paleta de herramientas--------------------------------------------------80

FIGURA 3.18

Ingresando datos de operación---------------------------------------81

FIGURA 3.19

Ingresando Composición------------------------------------------------81

ix

FIGURA 3.20

Ingresando datos de operación---------------------------------------82

FIGURA 3.21

Conexiones del Mixer----------------------------------------------------83

FIGURA 3.22

Reactor CSTR-------------------------------------------------------------83

FIGURA 3.23

Reacciones del Reactor CSTR----------------------------------------84

FIGURA 3.24 Worksheet del Reactor CSTR------------------------------------------85 FIGURA 3.25

Flowsheet preparado hasta el momento----------------------------86

FIGURA 3.26

Opción Set------------------------------------------------------------------87

FIGURA 3.27 Select Tarjet Object-------------------------------------------------------87 FIGURA 3.28 Set 1- Conexiones---------------------------------------------------------88 FIGURA 3.29

Set 1- Parámetros--------------------------------------------------------88

FIGURA 3.30 Databook---------------------------------------------------------------------89 FIGURA 3.31

Variables de Databook--------------------------------------------------89

FIGURA 3.32

Databook--------------------------------------------------------------------90

FIGURA 3.33 Databook Case Studies--------------------------------------------------90 FIGURA 3.34 Case Studies----------------------------------------------------------------91 FIGURA 3.35

Grafico de Resultados---------------------------------------------------91

FIGURA 3.36

Completando Flowsheet------------------------------------------------92

FIGURA 3.37 Válvula------------------------------------------------------------------------93 FIGURA 3.38 Válvula Parámetros ------------------------------------------------------93 FIGURA 3.39

Paleta de Destilación-----------------------------------------------------94

FIGURA 3.40 Propiedades de la columna de destilación Pág. 1-----------------94

x

FIGURA 3.41 Propiedades completas de destilación Pág. 1----------------------95 FIGURA 3.42 Propiedades Specs--------------------------------------------------------96 FIGURA 3.43 Add Specs ------------------------------------------------------------------96 FIGURA 3.44 Fracción de Agua----------------------------------------------------------96 FIGURA 3.45 Monitor de la Columna---------------------------------------------------97 FIGURA 3.46 Workbook---------------------------------------------------------------------97 FIGURA 3.47 Balance de Materia--------------------------------------------------------98 FIGURA 3.48 Flowsheet--------------------------------------------------------------------99 FIGURA 3.49 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------100 FIGURA 3.50 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------101 FIGURA 3.51 Controlador PID-----------------------------------------------------------102 FIGURA 3.52 Select Input Pv-------------------------------------------------------------102 FIGURA 3.53 Reactor LC-----------------------------------------------------------------103 FIGURA 3.54 Tunning----------------------------------------------------------------------104 FIGURA 3.55 Variables del reactor a graficar----------------------------------------106 FIGURA 3.56 Variables del reactor----------------------------------------------------107 FIGURA 3.57 Integrador-------------------------------------------------------------------107 FIGURA 3.58 Variables de Interés------------------------------------------------------108 FIGURA 3.59 Simulación de variables------------------------------------------------109 FIGURA 3.60 Reactor TC Tunning------------------------------------------------------110 FIGURA 3.61 Evolución de la rampa en el set point-------------------------------110

xi

FIGURA 3.62 History Data----------------------------------------------------------------111 FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h--------------------------------------------112 FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h------------------------- 113 FIGURA 4.3 Workbook para 750 Kgmol/h--------------------------------------------- 113 FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h------------------------114 FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h-------------------------------------------114 FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h-----------------------115 FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm------------------- 116 FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm-----------------116 FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm-----------------117 FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC-----------------------------------118 FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC------------------------------------118 FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC------------------------------------119 FIGURA 4.13 Select Tarjet Object------------------------------------------------------- 120 FIGURA 4.14 Set 1- Conexiones--------------------------------------------------------121 FIGURA 4.15 Set 1- Parámetros--------------------------------------------------------121 FIGURA 4.16 Databook--------------------------------------------------------------------122 FIGURA 4.17 Variables de Databook--------------------------------------------------- 122 FIGURA 4.18 Databook--------------------------------------------------------------------- 123 FIGURA 4.19 Databook Case Studies-------------------------------------------------123 FIGURA 4.20 Case Studies---------------------------------------------------------------124

xii

FIGURA 4.21 Gráfico de Resultados---------------------------------------------------125 FIGURA 4.22 Workbook del Set---------------------------------------------------------- 125 FIGURA 4.23 Composición del Set----------------------------------------------------- 126 FIGURA 4.24 Composición del Set----------------------------------------------------126 FIGURA 4.25 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------127 FIGURA 4.26 Composición del CSTR-------------------------------------------------128 FIGURA 4.27 Conversión de las reacciones------------------------------------------ 128 FIGURA 4.28 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------129 FIGURA 4.29 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------130 FIGURA 4.30 Flujo de alimentación al mixer-----------------------------------------131 FIGURA 4.31 Composición de alimentación al mixer------------------------------132 FIGURA 4.32 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------132 FIGURA 4.33 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------133 FIGURA 4.34 Balance de todo el proceso--------------------------------------------133

xiii

ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2.1 Opciones Termodinámicas----------------------------------------------------19 TABLA 2.2 Opciones Termodinámicas----------------------------------------------------36 TABLA 2.3 Modelos de Actividades--------------------------------------------------------38 TABLA 3.1 Variables a Controlar------------------------------------------------------------68 TABLA 3.2 Reacciones Químicas-----------------------------------------------------------68 TABLA 3.3 Variables a Controlar------------------------------------------------------------70 TABLA 3.4 Datos de Operación-------------------------------------------------------------80 TABLA 3.5 Datos de composición-----------------------------------------------------------80 TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103 TABLA 3.7 Parámetros PID-----------------------------------------------------------------104 TABLA 3.8 Etapas a seguir------------------------------------------------------------------105 TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103

xiv

CAPITULO I GENERALIDADES PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN La profesión de Ingeniería Química en uno de sus cursos de formación profesional se imparte el de Modelamiento y Simulación donde se debe de usar modelos y simuladores, para solucionar procesos industriales, pero nosotros no tuvimos la oportunidad hasta que egresamos de usar ningún simulador, sin embargo en el mercado internacional se conocen muchos simuladores en la actualidad, que pueden representar fehacientemente un proceso industrial y proporcionarnos información muy similar a lo sucedido en la realidad. Entre estos simuladores más importantes se encuentran el Chemcad y el Hysys La problemática que se plantea es el de aprender a utilizar y aplicar este simulador

aprovechando

sus

bondades

para

representar

procesos

industriales y que posteriormente se pueda implementar su utilización dentro del curso de Modelamiento y Simulación de Procesos, para simular todo tipo de

operación

y

proceso

y

hasta

la

resolución

de

condiciones

termodinámicas, transferencia de masa y transporte y diseño de reactores, transporte de calor, diseño de equipo con respuestas muy exactas a la realidad. Lo que nos permitiría tener un nivel competitivo mayor que las demás universidades y nos proporcionaría una herramienta muy útil que nos ahorraría mucho en costos de investigación. Mediante una investigación profunda de las bondades que ofrece este simulador, Podríamos simular el proceso de producción del Dietilenglicol, para condiciones de operación muy variadas, determinando las condiciones más optimas para este proceso ANTECEDENTES En este trabajo, enfocaremos las motivaciones, que nos llevaran hacer una investigación de un proceso de simulación mediante un software comercial de simulación.

En el punto 1.7 haremos la revisión de los antecedentes investigativos referentes a este tipo de investigación. El

ámbito

geográfico

al

que

se

circunscribirá

este

estudio

será

específicamente a la Simulación de un proceso Industrial mediante el uso del simulador HYSYS en la Escuela Profesional de Ingeniería Química de la UNSA. FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN En la actualidad cada día se cuenta con un mayor desarrollo y auge de las Tecnologías de la Información y la Comunicación por lo que todas las profesiones con carácter tecnológico van usando la computación como herramienta para poder desarrollar software que hace posible más rápido y exactamente representar lo que sucede en un proceso, operación unitaria, o proceso tecnológico contribuyendo de esta forma en el aprendizaje de dichas operaciones y procesos y en la industria haciendo posible correcciones adecuadas para obtener una producción de calidad y sin pérdidas de tiempo y económicas contribuyendo con los supervisores y operadores de las plantas a evitar las correcciones empíricas que se acostumbraban a hacer basados en la experiencia de operación adquiridas pero que en muchas ocasiones solamente permiten pérdidas económicas de algunas materias primas o simplemente alargar el proceso sin conseguir optimizarlo. Viéndolo de esta forma podríamos investigar y aprovechar las bondades del Simulador Hysys y proceder a diseñar procesos dinámicos o estáticos para las diferentes operaciones y procesos lo que permitiría mejorar la competitividad y bajar los costos de producción conociendo de estos simuladores de Procesos Químicos. Esta investigación apunta a utilizar las diferentes funciones, comandos y herramientas del Simulador Hysys para poder simular completamente cualquier Proceso u Operación Unitaria pudiendo en corto tiempo recibir

respuesta lo más próximo posibles a la realidad, obtenidas mediante este software y conseguir optimizar las corrientes de alimentación y producto y ahorrarnos el proceso de investigación de laboratorio. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Modelar y simular con el software Hysys un proceso estático y dinámico de producción de Dietilen glicol, controlando todas sus variables de producción, para optimizar su rendimiento. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Construir el Flowsheet de producción.



Resolver los balances de Masa y Energía.



Diseñar la cinética de reacción del proceso en los reactores utilizados.



Diseñar el mixer, reactor y columna de destilación a utilizar en todo el proceso de producción industrial.



Correr el Proceso Industrial en modo estático y dinámico, optimizando corrientes de alimentación y salida.



Determinar la eficiencia de la producción a condiciones simuladas.

JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA El contar con diversos software que simulen procesos u operaciones en la industria de procesos y en especial en Ingeniería Química nos permitiría a proceso

largo plazo adaptar estos software directamente al

industrial

para

el

control

automático

a

través

de

instrumentación digital, también sería una herramienta importante para

el

proceso

de

enseñanza-aprendizaje

y

comprensión,

permitiendo profesionales que puedan mejorar y optimizar proceso industriales en particular. Aplicar modelamiento y simulación, requiere de software y la

aplicación de tecnología computacional, que es de sumo interés que el profesional de procesos moderno, pueda diseñarlo de acuerdo a sus necesidades y exigencias, convirtiéndose en un nuevo campo tecnológico de los profesionales de Ingeniería de procesos. JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA La utilización del simulador Hysys por un profesional de Ingeniería Química en forma expeditiva permite en el campo profesional estar a la vanguardia, mejorando de esta forma su calidad y por ende sus ingresos económicos a las empresas que usen sus servicios les permitiría ahorrar buenas sumas de dinero evitándose costos de investigación de laboratorio, pérdidas de tiempo que ocasionan las pruebas, pérdidas económicas debido al uso de materia prima o de tiempo de operación de planta para la evaluación de estas pruebas. JUSTIFICACIÓN SOCIAL El uso del software simulador Hysys permitiría logros educativos importantes para la ingeniería de procesos, permite que muchos

usuarios que en la actualidad no tienen una amplia visión de estos procesos industriales, pueda desenvolverse mejor en el campo educativo de pregrado, adquiriendo una cimentación más amplia de su carrera, lo cual redundaría en un mejor servicio profesional posterior. La aplicación de las TICs al proceso educativo, mediante el uso de la computadora

y

de

los

diversos

paquetes,

podría

contribuir

ampliamente al interés de conocer más profundamente cada proceso llevado a cabo en la industria. También incentivaría la exploración, investigación y desarrollo de nuevos software específicos y más cómodos económicamente que el mencionado. ALCANCES •

Las pruebas de esta investigación se llevaran a cabo a nivel de

laboratorio de Cómputo. •

Dentro del proceso de modelamiento y simulación se estudiará y optimizará el proceso mediante el uso de balances de materia, determinación de la cinética más adecuada y destilación apropiada.

RESTRICCIONES •

El software no permitiría ningún tipo de restricciones en lo que respecta al proceso de simulación de las diversas variables a controlar.

•

La validación se hará en función de información teórica procesada através de cálculos teóricos, de un proceso de destilación.

HIPÓTESIS Es factible Modelar y Simular un proceso industrial de producción de Dietilen glicol,

controlando

y

optimizando

adecuadamente

las

variables

de

producción ahorrándonos tiempo y costo en el proceso de investigación en laboratorio, mediante el uso del Simulador Hysys. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS Respecto a este Tema en la Escuela Profesional de Ingeniería Química no se encuentran ningún antecedente investigativo sobre utilización del software Hysys si se encuentran temas sobre el simulador Chemcad. A nivel Internacional si se encuentra aplicación del software de Hysys para Ingeniería de Procesos como: “Determinación de la curva de destilación flash para cortes de petróleo utilizando simuladores comerciales” de Enrique Eduardo Tarifa1, Eleonora Erdmann2, Demetrio Humana3, Samuel Franco Domínguez4 y Lorgio Mercado Fuentes5 RESUMEN El presente trabajo describe un nuevo método para estimar la curva de

destilación flash EFV (equilibrium flash vaporización) para cortes de petróleo utilizando simuladores comerciales. Para ello se implementa un modelo estacionario de la destilación flash en un simulador comercial y se ajusta el modelo utilizando una curva de destilación obtenida con procedimientos estándares de laboratorio. Dicha curva puede ser del tipo TBP, ASTM D86, D1160 o D2887, entre otras; e involucra un procedimiento experimental más simple que el requerido para obtener la curva EFV. Para la simulación se puede utilizar cualquier simulador comercial que sea capaz de modelar petróleo, en este trabajo se emplearon los simuladores HYSYS y CHEMCAD. Para evaluar el método propuesto se analizaron experimentalmente varios tipos de petróleos y cortes de petróleo. Luego, de acuerdo con el método propuesto, los datos obtenidos fueron ingresados a un simulador para estimar las correspondientes curvas EFV. Las curvas estimadas utilizando HYSYS y CHEMCAD fueron comparadas con las producidas por dos métodos tradicionales de estimación: el de Edmister y el método de Maxwell. En todos los casos, las curvas estimadas por simulación se aproximaron a la curva promedio de las de Edmister y Maxwell. El método propuesto tiene varias ventajas: 1) evita la necesidad de obtener la curva EFV en forma experimental; 2) es independiente del tipo de curva experimental a utilizar para ajustar el modelo; 3) permite realizar estimaciones para diferentes presiones utilizando una única curva experimental como dato.

CAPÍTULO II MARCO CONCEPTUAL SIMULADOR HYSYS La simulación consiste básicamente en construir modelos informáticos que describen la parte esencial del comportamiento de un sistema de interés, así como en diseñar y realizar experimentos con el modelo y extraer conclusiones de sus resultados para apoyar la toma de decisiones. Típicamente, se utiliza en el análisis de sistemas tan complejos que no es posible su tratamiento analítico o mediante métodos de análisis numéricos. Sus orígenes están en los trabajos de Suden para aproximar la distribución que lleva su nombre, y los métodos que Von Newmann y Ulam introdujeron para resolver ecuaciones integrales. Desde entonces, la Simulación ha crecido como una metodología de experimentación fundamental en campos tan diversos como la Economía, la estadística, la Informática o la Física, y con enormes aplicaciones industriales y comerciales, como los simuladores de vuelo, los juegos de simulación, o la predicción bursátil o meteorológica. Existen diversas maneras para definir el término simulación. Sin embargo debido a que se considera a la simulación como una extensión lógica y natural de los modelos analíticos y matemáticos, inherentes a la Investigación de Operaciones, la siguiente definición es considerada como una de las más completas. Simulación: “Es una técnica numérica para conducir experimentos en un computador digital, la cual incluye ciertos tipos de relaciones lógicas y matemáticas necesarias para describir la estructura y comportamiento de un sistema complejo del mundo real sobre un periodo de tiempo”. También se considera a la simulación como un proceso para describir la esencia de la realidad, el cual incluye la construcción, experimentación y manipulación de un modelo complejo en un computador.

El uso de la metodología de simulación ofrece ventajas y desventajas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes: Ventajas: 1. La simulación hace posible estudiar y experimentar con las interacciones complejas de un sistema dado (sin importar cual). 2. A través de la simulación podemos estudiar el efecto de cambios ambientales, organizacionales de cierta información, en la operación del sistema. 3. La observación detallada del sistema simulado nos permite tener una mejor comprensión del mismo. 4. La experiencia al diseñar un modelo de simulación para computadora es más valiosa que la simulación en sí. 5. La simulación nos permite experimentar con situaciones nuevas, para los cuales no se tiene o hay poca información. Desventajas: 1. Los modelos de simulación para computadora son costosos y requiere tiempo para desarrollarse y validarse. 2. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar “soluciones óptimas”. 3. Es difícil aceptar los modelos de simulación. 4. Los modelos de simulación no son de optimización directa (son modelos de análisis). 5. Se pueden tener restricciones o limitaciones en la disponibilidad del software requerido.

SIMULACION DE PROCESOS Usa las relaciones físicas fundamentales: • Balances de masa y energía • Relaciones de equilibrio • Correlaciones de velocidad (Reacción y transferencia de masa y calor) Predice • Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes • Condiciones de operación • Tamaño de equipo

Algunas aplicaciones • Diseño y optimización de procesos

• Entrenamiento operativo de operarios • Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control

predictivo FF). SIMULADOR HYSYS HYSYS es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines. Incluye herramientas para estimar:  Propiedades físicas  Equilibrios líquido vapor,  Balances de materias y energía  Simulación de muchos equipos de ingeniería química.  Simula procesos en estado estacionario y dinámico.

Adquirido por Aspentech en 2004. Es un Software especializado para la industria petroquímica. Las principales ventajas de HYSYS son:  Su facilidad de uso (interfaz amigable)  Base de datos extensa (superada solo por la de Aspen Plus)

 Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayoría de los datos son experimentales, aunque algunos son estimados (la mayoría de simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC) Las principales desventajas de HYSYS son:  Pocas o nulas aplicaciones de sólidos Software de optimización limitado (el optimizer no es muy



potente) ENTORNO HYSYS ABRIR SESIÓN Abra HYSYS haciendo clic en INICIAR>Programas>Hyprotec>HYSYS 3.2>HYSYS La primera vez que usted ejecute HYSYS aparecerá en su pantalla la ventana de inicio del programa. Por favor maximice esta ventana (para copar toda la pantalla) dando un clic sobre el botón Maximice en la esquina superior derecha de la ventana HYSYS. Se verá lo siguiente: FIGURA 2.1. Inicio de Hysys

Fuente: Software Hysys 3.2

La línea del tope es llamada la Barra de títulos. Contiene el logotipo HYSYS y nombre en el lado izquierdo, y los botones Minimizar, Restaurar, y Cerrar en el lado derecho. La siguiente línea es llamada la Barra de menús. Esta barra contiene las órdenes del más alto nivel para HYSYS. Son: File

Este comando es usado para definir formatos de salida, abrir trabajos, imprimir y obtener información general sobre HYSYS

Tools

Esta orden

sirva para iniciar un trabajo de simulación

(Preferences) Help

Esta función da al usuario permiso de llamar las facilidades de ayuda en línea.

La tercera línea (o barra) es llamada la Barra de herramientas. Contiene los símbolos para directamente invocar atajos para las funciones diversas del archivo que de otra manera se tiene acceso a través de los menús. Hasta ahora no se difiere de otro software del entorno windows. Lo demás de la ventana está inactivo en este nivel.

INICIAR UN NUEVO CASO Haciendo clic en el botón

New Case

. Aparece la ventana del

administrador básico de simulación Simulation Basis Manager El Simulation Basis Manager contiene una serie de pestañas que iremos describiendo a continuación. La primera de ellas es fundamental y es donde podemos elegir los componentes de nuestro trabajo. FIGURA 2.2. Simulations Basis Manager

Fuente: Software Hysys 3.2

Cuando seleccionamos la pestaña Components aparece un número de botones: View – Le permite una Lista de Componentes Existente. Add – Le permite crear una nueva Lista de Componentes. Delete – Para borrar una Lista de Componentes. Copy – Hace una copia de una Lista de Componentes existente. Import – le permite importar una lista de componentes predefinida desde el

disco. Las Listas de Componentes tienen la extensión de archivo. fpk. Export – le permite exportar una lista de componentes predefinida desde el disco. Una Lista de componentes exportada puede ser usada en otro caso, usando la función Import. Usted puede usar para reingresar al Basis Manager desde cualquier punto en la simulación o haciendo clic en el botón

de la barra de

herramientas. INGRESO DE COMPONENTES El primer paso para un trabajo en HYSYS es la definición de componentes, los cuales se pueden agrupar en una lista y guardarlos (Exportarlos) bajo un determinado nombre 1. Seleccionamos la etiqueta Components del

Simulation Basis

Manager y hacemos clic en Add con lo cual aparece la libreria de componentes. Esta libreria en su parte izquierda tiene tres conceptos: Components (Los que están en la base de datos del programa), Hypotetical (Cuando vamos a formular un componente nuevo) y Other. FIGURA 2.3. Componentes del Simulations Basis Manager

Fuente: Software Hysys 3.2

2. Usted puede seleccionar componentes para su simulación usando varios

métodos diferentes: Match celda 1. Seleccione uno de los tres formatos de nombres, SimName,

Full

Name/

Synonym,

o

Formula

seleccionando

el

correspondiente radio button. 2.- Clic sobre la celda Match e ingresar el nombre del componente. 3. Una vez que el componente deseado es resaltado haga ya sea: • Presione la tecla • Presione el botón Add Pure • Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación. Component List 1. Usando la barra de desplazamiento para la lista principal de componentes, desplazarse a través de la lista hasta que encuentre el componente deseado. 2. Para adicionar el componente hacer ya sea: • Presione la tecla • Presione el botón Add Pure • Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación. Family Filter 1. Asegúrese que la celda Match esté vacía, y presione el botón Family Filter…. 2. Seleccionar la familia deseada desde Family Filter para desplegar solamente el tipo de componente. 3. Use cualquiera de los dos métodos previos para desear desear el componente deseado. 4. Para adicionar el componente hacer ya sea: • Presione la tecla • Presione el botón Add Pure • Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.

Con la opción Filter, no solamente podemos buscar por familias de componentes (alcoholes, aminas, misceláneo etc), sino podemos ver cuáles son los Fluid Package recomendados para cada componente y filtrar atendiendo a este método. Nota: Usted puede añadir un rango de componentes resaltando el rango entero y presionando el botón Add Pure. 3. Seleccione de la librería de componentes Chloroform, Toluene, Ethanol, H2O, Oxygen y Nitrogen.

FIGURA 2.4. Lista de Componentes

Fuente: Software Hysys 3.2

4. Coloque un nombre a la lista de componentes, en este caso: Lista de

componentes-1, presione la tecla y cierre la ventana, con lo cual de regreso al Simulation Basis Manager aparece la lista creada

FIGURA 2.5. Lista de Componentes

Fuente: Software Hysys 3.2

La base de datos que contiene HYSYS es muy grande, y trae cantidad de componentes, pero es un simulador muy orientado a la empresa petroquímica y es difícil encontrar componentes de otro tipo de empresas, como son los sulfatos, óxidos y demás componentes inorgánicos. Las últimas versiones de HYSYS ya incluyen el paquete de electrolitos, donde podemos incluir sustancias que están en forma de electrolitos y pueden variar las propiedades coligativas de la mezcla. También podemos incluir algunos componentes, que aunque no están en la base de datos, se pueden adicionar ingresando sus parámetros característicos del componente. EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE HYSYS usa el concepto de Paquete de Fluído (Fluid Package) para contener toda la información necesaria para cálculos físicos de las propiedades de componentes. Este acercamiento le permite definir toda información (paquete de componentes, propiedades, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulares, componentes hipotéticos, etc.) Dentro de una sola entidad.

Hay tres ventajas cruciales para este acercamiento:  Toda información asociada está definida en una sola posición, permitiendo fácil creación y modificación de la información.  Los paquetes de fluidos pueden ser almacenados como una entidad

completamente

separada

para

usarlo

en

una

simulación.  Pueden ser usados múltiples paquetes de fluidos en la misma simulación; Sin embargo, todos deben ser definidos dentro del Administrador Base común (Basis Manager). El Basis Manager de la simulación es una vista de la propiedad que le permite crear y manipular cada Fluid Package en la simulación. Cuando quiera que usted inicie un nuevo caso (New Case), HYSYS coloca a usted en esta posición. Al abrir la pestaña Fluid Pkgs del Simulation Basis Manager, contiene la lista de definiciones corrientes de Fluid Package. Usted puede usar múltiples Fluid Packages dentro de una simulación asignándoselos a diferentes flowsheets y acoplando los flowsheets. Selección del Fluid Package El segundo paso para la simulación es definir el Fluid Package. Este paso es muy importante y no se debe tomar a la ligera, ya que definirá la base de la simulación. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulación, pero si introducimos un error desde el principio, este se agravará con el desarrollo de la simulación. 1. En el Simulation Basis Manager seleccione la etiqueta Fluid Pkgs y sombrear la lista de componentes para la cual deseamos colocar la opción termodinámica (Lista de Componentes -1) y luego hacer clic en el botón Add. 2. Hacer clic en el radio botón (radio button) de Activity Models y seleccionar NRTL como el paquete de propiedades (Property Package) para este caso.

FIGURA 2.6. Fluid Package

Fuente: Software Hysys 3.2

También debemos seleccionar la opción para el vapor en la esquina superior derecha. La siguiente Tabla es un breve resumen de las opciones termodinámicas recomendadas

para

los

coeficientes

de

actividad

para

diferentes

aplicaciones. TABLA 2.1. Opciones Termodinámicas Aplicación Sistemas binarios

Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC A

A

A

A

A

LA

LA

A

A

A

Sistemas azeotrópicos

A

A

A

A

A

Equilibrio Liquido-Liquido

A

A

N/A

A

A

Sistemas diluidos

?

?

A

A

A

Sistemas de asociación

?

?

A

A

A

Sistemas de Múltiple componentes

individual Polímeros Extrapolación • • • • •

N/A

N/A

N/A

N/A

A

?

?

G

G

G

A = Aplicable N/A = No Aplicable ? = Cuestionable G = Bueno LA = Aplicación Limitada Fuente: Manual Hysys 3.2

3. Cambiar el nombre del nombre por defecto Basis-1 a Paquete-1. Hacer esto haciendo clic en la celda "Name", y tipeando el nuevo nombre. Pulsar la Tecla cuando haya finalizado. Luego cerrar la ventana. 4. Ir a la etiqueta de coeficientes binarios (Binary Coeffs).

FIGURA 2.7. Fluid Package Binary Coefficient

Fuente: Software Hysys 3.2

Presione el botón Unknowns Only para estimar los coeficientes ausentes. Ver las matrices Aij, Bij y aij seleccionando el radio botón correspondiente.

La matriz Aij es mostrada a continuación: FIGURA 2.8. Fluid Package Binary Coefficient

Fuente: Software Hysys 3.2

EXPORTANDO FLUID PACKAGES HYSYS le permite exportar Fluid Packages para usarlos en otras simulaciones. Esta funcionalidad le permite crear un simple y común Fluid Package el cual usted puede usarlo en múltiples casos. 1. Sobre la etiqueta de Fluid Packages resalte el Fluid Package Paquete-1 FIGURA 2.9. Export Fluid Package Binary Coefficient

Fuente: Software Hysys 3.2

2. Presione el botón Export. 3. Ingrese un único nombre (Paquete-1) para el Fluid Package y presione el botón OK. FIGURA 2.10. Save Export Fluid Package

Fuente: Software Hysys 3.2

HYSYS automáticamente le adicionará la extensión .fpk cuando guarde su Fluid Package. El archivo es automáticamente en el subdirectorio \HYSYS\paks. Usted si desea puede seleccionar otro subdirectorio. Ahora que el Fluid Package está completamente definido, usted está listo para seguir adelante y empezar a construir la simulación. Presione el botón Enter Simulation Environment o el botón Interactive Simulation Environment. GUARDANDO EL TRABAJO Usted puede guardar su trabajo en cualquier momento para lo cual debe ir al menu

File/ Save as Y darle un nombre.

FIGURA 2.11. Guardar su trabajo

Fuente: Software Hysys 3.2

En este caso HYSYS lo guarda con la extensión .hsc INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN. Desde el Simulation Basis Manager hacemos clic en Enter Simulation Environment. Si no hemos definido el Fluid Package, el programa nos advierte que falta definirlo. En este caso definimos un Fluid Package nuevo o importamos un Fluid Package ya definido y guardado con anterioridad. Se abre la siguiente ventana

FIGURA 2.12. Pagina de simulación de Hysys 3.2

Fuente: Software Hysys 3.2

Esta es la pantalla principal de HYSYS donde realizaremos las simulaciones. En este medio la simulación se hace muy visual y fácil de llevar. Hay oro medio de simulación en HYSYS que veremos más adelante el Workbook La Paleta de Objetos la usaremos para seleccionar el equipo o el tipo de corriente que queremos introducir en el sistema de simulación. Para ocultar o hacer visible la paleta de objetos hay que pulsar F4. En versiones superiores a la 3.1 hay un icono donde se puede hacer el mismo efecto que F4. La paleta se puede dividir en cuatro secciones, la primera es la dedicada a las corrientes de materia (flecha azul) y energía (flecha roja). En la segunda se muestran los equipos de separación de fases, presión, transferencia de calor y reactores, la tercera muestra equipos de transferencia de masa (destilación…) y la cuarta es la dedicada a la lógica.

FIGURA 2.13. Simulación de un Proceso

Fuente: Software Hysys 3.2

ADICIONANDO CORRIENTES En HYSYS, hay dos tipos de corrientes, Materia y Energía. Las corrientes de Material tienen una composición y parámetros tales como temperatura, presión y flujos. Estas son usadas para representar Corrientes de Proceso. Las corrientes de energía tienen solamente un parámetro, Flujo de Calor. Estas son usadas para representar la carga suministrada a o por una Unidad de Operación. Existe una variedad de formas para adicionar las corrientes en HYSYS. INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA PALETA DE OBJETOS 1. Pulsemos en la paleta de objetos la flecha azul, es la correspondiente

a una corriente de materia y con el cursor nos colocaremos en el PFD, volvemos a pulsar, el resultado es el siguiente:

FIGURA 2.14. Flujo desde la Paleta de Objetos

Fuente: Software Hysys 3.2

2. Nosotros queremos definir la composición de esta corriente mediante

la especificación de los flujos de masa para cada componente. Hacemos doble click en la corriente y aparece el visor de propiedades de las corrientes Usted puede cambiar el nombre de la corriente simplemente escribiendo un nombre nuevo en la caja Stream Name. FIGURA 2.15. Visor de Propiedades

Fuente: Software Hysys 3.2

3. Cambie el nombre de corriente para Etanol y seleccionemos la opción Composition en el menú Worksheet FIGURA 2.16. Ingresando datos

Fuente: Software Hysys 3.2

Por defecto, HYSYS selecciona la base para definir las composiciones como fracción en masa. Pero esta opción lo podemos cambiar haciendo click en la opción Basis, apareciendo la caja de diálogo siguiente FIGURA 2.17. Ingresando Composición

Fuente: Software Hysys 3.2

4. Seleccionamos la opción para las composiciones Flujo de masa en este caso (Mass Flows), cerramos la caja y regresamos a la caja anterior donde ingresamos los flujos de masa de los componentes FIGURA 2.18. Ingresando Composición en flujo

Fuente: Software Hysys 3.2

5. Presione el botón OK cuando se han ingresado todos los flujos de masa. FIGURA 2.19. Completando Composición en flujo

Fuente: Software Hysys 3.2

6. Si regresamos a propiedades, vemos lo siguiente:

FIGURA 2.20. Completando propiedades

Fuente: Software Hysys 3.2

Se ha actualizado las cantidades de masa y moles de la corriente, pero faltan aún otros valores, para lo cual es necesario ingresar dos parámetros de los que están indicados con azul y la palabra . La falta de información para definir completamente la corriente indica la barra amarilla de la parte inferior. Cerrar el visor de Propiedades de las corrientes. INGRESANDO CORRIENTES DESDE EL WORKBOOK 1. Para abrir o desplegar el Workbook, presione el botón de Workbook

sobre la barra de botones. FIGURA 2.21. Workbook

Fuente: Software Hysys 3.2

2. Ingrese el nombre de la corriente, Tolueno en la celda **New**, y luego seleccione la pestaña Compositions. Aparece la siguiente caja de diálogo FIGURA 2.22. Ingresando datos al Workbook

Fuente: Software Hysys 3.2

3. Hacer doble click en cualquiera de las celdas bajo el nombre Tolueno

y aparece la ventana para ingresar las cantidades de material. Usted tendrá que volver a cambiar la base haciendo click en Basis o en Edit. Luego, ingrese los flujos de masa de componentes siguientes. FIGURA 2.23. Ingresando datos de composición

Fuente: Software Hysys 3.2

Hacer click en OK y al cerrar la ventana Aparece el Workbook con la información ingresada y donde podemos agregar otras corrientes. FIGURA 2.24. Workbook completo

Fuente: Software Hysys 3.2

4. Al regresar a la ventana del PFD se tiene ahora la nueva corriente ingresada FIGURA 2.25. PFD

Fuente: Software Hysys 3.2

INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA BARRA DE MENÚ 1. Pulsando cuando estamos en modo simulación, aparece el

visor de propiedades. En la celda Stream Name Colocamos Aire.

FIGURA 2.26. Visor de Propiedades

Fuente: Software Hysys 3.2

2. Lo siguientes se operara como en el primer caso de corrientes. En

este caso ingresamos la corriente como fracciones molares por lo que

seleccionamos esta opción e ingresamos: FIGURA 2.27. Composición en fracción molar

Fuente: Software Hysys 3.2

Luego hacer clic en OK. Y al cerrar esta ventana y volver al PDF se tiene las tres corrientes ingresadas. Como se muestra en la ventana del PFD, hay tres corrientes. El color celeste indica que las corrientes no están completamente definidas, si vemos en las Figuras anteriores, en la parte inferior hay una barra de color amarillo (color que indica que falta definir algunos parámetros) y a su vez nos da la información de que parámetro nos falta definir. FIGURA 2.28. Corrientes creadas

Fuente: Software Hysys 3.2

También

podemos

ver

las

composiciones

de

las

corrientes

posicionándonos en el Workbook. FIGURA 2.29. Composición de Corrientes en el Workbook

Fuente: Software Hysys 3.2

Ahora se puede guardar el trabajo CÁLCULOS INSTANTÁNEOS HYSYS puede efectuar cinco tipos de cálculos instantáneos sobre las corrientes: P-T, Vf-P, Vf-T, P-Entalpía Molar y T-Entalpía Molar. Una vez que la composición de la corriente y dos parámetros cualquiera de temperatura, presión, fracción de vapor o la entalpía molar son conocidas, HYSYS realiza un cálculo instantáneo en la corriente, calculando los otros dos parámetros. Nota: Solamente dos de los 4 parámetros de corriente temperatura, presión, fracción de vapor o la entalpía molar pueden ser suministrados. Con las capacidades instantáneas de HYSYS, se logra realizar cálculos de punto de rocío y punto de burbujeo. Especificando una fracción de vapor de 1 y ya sea la presión o la temperatura de la corriente, HYSYS calculará la temperatura del rocío o la presión. Para calcular la temperatura de burbuja o

la presión, debe introducirse una fracción de vapor de 0 y cualquier presión o cualquiera temperatura. EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS 1. Efectuar un cálculo instantáneo T-P en la corriente Tolueno. Hacer

doble click en la corriente Tolueno. FIGURA 2.30. Composición de Corrientes de Tolueno

Fuente: Software Hysys 3.2

Fijar la presión en 101.3 kpa (14.7 psia) y la temperatura en 90 °C (200 °F). Cuál es la fracción de vapor? FIGURA 2.31. Composición del workbook

Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La fracción de vapor es 0. El cambio de color de la barra

inferior a verde indica que la corriente Tolueno ha sido definida completamente 2. Efectuar un cálculo de punto de rocío en la corriente

Tolueno.

Establecer la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). Cuál es la temperatura de punto de rocío?. FIGURA 2.32. Punto de Roció

Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La temperatura de Punto de Roció es 99.99 C 3. Efectuar un cálculo de punto de burbuja en la corriente Tolueno.

Establecer la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). ¿Cuál es la temperatura de punto de burbuja? FIGURA 2.33. Punto de burbuja

Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La temperatura de Punto de Burbuja es 89.65 C. Para hacer los cálculos hemos tenido que definir completamente la corriente Tolueno. Si vamos al PFD veremos que tiene color diferente a las demás corrientes Etanol y Aire que aún faltan especificar algunos parámetros para definirlas completamente. FIGURA 2.34. Corriente totalmente definida

HYSYS Y TERMODINÁMICA Los paquetes de propiedades incorporados en HYSYS proveen predicciones precisas de propiedades termodinámicas, físicas y de transporte para hidrocarburo, no-hidrocarburo y fluidos químicos y producto petroquímicos. La base de datos consta de más de 1500 componentes y más de 16000 coeficientes binarios. Si un componente de la biblioteca no puede ser encontrado dentro de la base de datos, están disponibles una serie de métodos de estimación para crear completamente componentes hipotéticos definidos. SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES La

siguiente

recomendadas:

tabla

lista

algunos

sistemas

típicos

y

correlaciones

TABLA 2.2. Opciones Termodinámicas

EOS : Ecuación de estado PR : Peng Robinson PRSV : Peng Robinson modificada Sour PR : Peng Robinson modificada SRK : Soave-Redlick-Kwong Sour SRK : Soave-Redlick-Kwong modificada ZJ : Zudkevitch Joffee KD : Kabadi Danner LKP : Lee Kesler Plocker Fuente: Tutorial Hysys 3.2

ECUACIÓN DE ESTADO Para petróleo, gas y aplicaciones petroquímicas, la ecuación de estado de Peng-Robinson EOS (PR) es generalmente la recomendada. HYSYS actualmente ofrece las ecuaciones de estado de Peng-Robinson (PR) y Soave-Redlich-Kwong (SRK). En adición, HYSYS ofrece varios métodos los cuales son modificaciones de estos paquetes de propiedades, incluyendo

PRSV, Zudkevitch Joffee (ZJ) y Kabadi Danner (KD). Lee Kesler Plocker (LKP) es una adaptación de las ecuaciones de Lee Kesler para mezclas, las cuales por si mismas fueron modificadas de la ecuación BWR. De todas estas, la ecuación de estado Peng-Robinson soporta un amplio rango de condiciones de operación y una gran variedad de sistema. Las ecuaciones de estado (EOS) de Peng-Robinson

y Soave-Redlich-Kwong generan

directamente todas las propiedades de equilibrio y termodinámicas. •

Las opciones del paquete de propiedades para Peng-Robinson son PR, Sour PR, y PRSV.

•

Las opciones de la ecuación de estado Soave-Redlich-Kwong son SRK, Sour SRK, KD y ZJ.

Para la industria química debido a la ocurrencia común de sistemas altamente no-ideales, puede ser considerada la ecuación PRSV EOS. Esta es una modificación de la ecuación de estado PR que extiende la aplicación del método original PR para sistemas altamente no-ideales.

MODELOS PARA ACTIVIDADES Los modelos de actividad producen los mejores resultados cuando son aplicados en la región de operación para la cual los parámetros de interacción fueron obtenidos. La siguiente es un breve resumen de las opciones termodinámicas recomendadas

para

los

coeficientes

de

actividad

para

diferentes

aplicaciones. TABLA 2.3. Modelos de Actividades Aplicación

Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC

Sistemas binarios

A

A

A

A

A

Sistemas de Múltiple componentes

LA

LA

A

A

A

Sistemas azeotrópicos

A

A

A

A

A

Equilibrio Liquido-

A

A

N/A

A

A

Liquido Sistemas diluidos

?

?

A

A

A

Sistemas de asociación individual

?

?

A

A

A

N/A

N/A

N/A

N/A

A

?

?

G

G

G

Polímeros Extrapolación

• A = Aplicable • N/A = No Aplicable • ? = Cuestionable • G = Bueno • LA = Aplicación Limitada Fuente: Tutorial Hysys 3.2

PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS Ejemplo: Determinar las propiedades físicas para el Benceno y Tolueno 1. Iniciar sesión: Abrir Hysys y desde el Menú File, seleccionar New / Case. Esto abrirá el Simulation Basis Manager. 2. Adicionar los componentes. 3. Modelo Termodinámico: En la ventana del Simulation Basis Manager

seleccionamos la etiqueta Fluid Pkgs y en la nueva ventana que aparece

hacer clic en el botón Add.

Aparece el Fluid Package

denominado por defecto Basis-1, Cambiamos de nombre (PropFisicas-1) De la lista de denominada Property Package Selection seleccionamos el método de Wilson ya que es el mas adecuado para este sistema. El modelo para el Vapor deberá ser el de SRK ( Soave-Redlich-Kwong) ya que el sistema es no ideal. Note que la selección por defecto es Ideal. FIGURA 2.35. Elección de modelo termodinámico

Fuente: Software Hysys 3.2

MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN DEFINICIÓN DE DESTILACION Destilación, proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos. Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente sal común), puede purificarse fácilmente evaporando el agua, y condensando después el vapor

para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos, este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más importante el dióxido de carbono. Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, que hierve a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones. TIPOS DE DESTILACION Destilación Simple, donde separamos dos componentes por su diferencia de volatilidad y punto de ebullición Destilación Fraccionada es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. Destilación a Vacío es la operación complementaria de destilación del crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza y sale por la parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El vaporizado de todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la

temperatura por encima del umbral de descomposición química y eso, en esta fase del refino de petróleo, es indeseable. El residuo atmosférico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de destilación atmosférica, se bombea a la unidad de destilación a vacío, se calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 ºC, similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosférica, y se introduce en la columna de destilación. Esta columna trabaja a vacío, con una presión absoluta de unos 20 mm de Hg, por lo que se vuelve a producir una vaporización de productos por efecto de la disminución de la presión, pudiendo extraerle más productos ligeros sin descomponer su estructura molecular. En la unidad de vacío se obtienen solo tres tipos de productos: •

Gas Oil Ligero de vacío (GOL).

•

Gas Oil Pesado de vacío (GOP).

•

Residuo de vacío.

Los dos primeros, GOL y GOP, se utilizan como alimentación a la unidad de craqueo

catalítico

después

de

de

sulfurarse

en

una

unidad

de

hidrodesulfuración (HDS).

El producto del fondo, residuo de vacío, se utiliza principalmente para alimentar a unidades de craqueo térmico, donde se vuelven a producir más productos ligeros y el fondo se dedica a producir fuel oil, o para alimentar a la unidad de producción de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo el residuo de vacío puede ser materia prima para producir asfaltos. Destilación Azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.

Una vez se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentración. En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Otro método, la variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se salta, la destilación puede continuar. Para saltar el azeótropo, el azeótropo puede ser movido cambiando la presión. Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede cerca del 100% de concentración, para el caso del etanol, éste se puede ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%. Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se mueve el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación no se “pegará” en este punto y el etanol podrá ser destilado a cualquier concentración necesaria. Para lograr la concentración requerida para el etanol como aditivo para la gasolina se usan comúnmente tamices moleculares en la concentración azeotrópica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95% de concentración, que permite destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede ser reutilizado.

Destilación por Arrastre de Vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado (volátil) formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. Como se mencionó anteriormente, la presión total del sistema será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgánica y del agua, sin embargo, si la mezcla a destilar es un hidrocarburo con algún aceite, la presión de vapor del aceite al ser muy pequeña se considera despreciable para efecto de los cálculos: P = Pa° + Pb° Donde: P = presión total del sistema Pa°= presión de vapor del agua Pb°= presión de vapor del hidrocarburo Por otra parte, el punto de ebullición de cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presión total del sistema es igual a la presión del confinamiento. Y como los dos líquidos juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos solos, la mezcla hervirá a una temperatura más baja que cualquiera de los componentes puros. En la destilación por arrastre es posible utilizar gas inerte para el arrastre. Sin embargo, el empleo de vapores o gases diferentes al agua implica problemas adicionales en la condensación y recuperación del destilado o gas. El comportamiento que tendrá la temperatura a lo largo de la destilación será constante, ya que no existen

cambios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de la mezcla, es decir que el punto de ebullición permanecerá constante mientras ambos líquidos esten presentes en la fase líquida. En el momento que uno de los líquidos se elimine por la propia ebullición de la mezcla, la temperatura ascenderá bruscamente. Si en mezcla binaria designamos por na y nb a las fracciones molares de los dos líquidos en la fase vapor, tendremos: Pa° = na P Pb° = nbP dividiendo: Pa° = na P = na Pb° nb P nb na y nb son el numero de moles de A y B en cualquier volúmen dado de vapor, por lo tanto: Pa° = na Pb° nb y como la relación de las presiones de vapor a una "T" dada es constante, la relación na/nb, debe ser constante también. Es decir, la composición del vapor es siempre constante en tanto que ambos líquidos estén presentes. Además como: na = wa/Ma y nb= wb/Mb donde: wa y wb son los pesos en un volumen dado y Ma, Mb son los pesos moleculares de A y B respectivamente. La ecuación se transforma en: Pa° = na = waMb Pb° nb wbMa O bien: wa = MaPa° wb MbPb° Esta última ecuación relaciona directamente los pesos moleculares de los dos componentes destilados, en una mezcla binaria de líquidos. Por lo tanto, la destilación por arrastre con vapor de agua, en sistemas de líquidos inmiscibles en ésta se llega a utilizar para determinar los pesos moleculares aproximados de los productos o sustancias relacionadas. Es necesario establecer que existe una gran diferencia entre una destilación por arrastre y una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases líquido-vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la destilación simple, por lo tanto no es posible realizar diagramas de equilibrio ya que en el vapor nunca estará presente el componente "no volátil" mientras este destilando el volátil. Además de que en la destilación por arrastre de vapor el destilado obtenido será puro en relación al componente no volátil (aunque requiera de un decantación para ser separado del agua), algo que no sucede en la destilación simple donde el destilado sigue presentando ambos componentes aunque más enriquecido en alguno de ellos. Además si este tipo de mezclas con aceites de alto peso molecular fueran destiladas sin la adición del vapor se requeriría de gran cantidad de energía para calentarla y emplearía mayor tiempo, pudiéndose descomponer si se trata de un aceite esencial.

Destilación Destructiva Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado

por

procedimientos

sintéticos

para

fabricar

distintos

subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva. CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE PLATOS. Factores importantes en el diseño y operación de columnas de platos son el número de platos que se requieren para obtener una determinada separación, el diámetro de la columna, el espaciado entre los platos, la elección del tipo de plato y los detalles constructivos de los platos. En consonancia con los principios generales, el análisis de las columnas de platos se basa en balances de materia, balances de energía y equilibrios entre fases. Balances globales de materia para sistemas de dos componentes. La Figura 6 es un diagrama del balance de materia para una planta típica de destilación continua. La columna se alimenta con F mol/h de concentración xF y genera D mol/h del producto de cabeza de concentración xD y B mol/h de producto de cola de concentración xs. Se pueden escribir dos balances globales de materia independientes Balance total de materia: F=D+B Balance del componente A: FxF, = D x , + BxB,

(1) (2)

Eliminando B de estas ecuaciones se obtiene

(3)

Eliminando D resulta

(4) Las Ecuaciones (3) y (4) son aplicables para todos los valores de los flujos de vapor y líquido en el interior de la columna. Caudales molares. La magnitud D es la diferencia entre los caudales molares de las corrientes que entran y salen por la parte superior de la columna. Un balance de materia alrededor del condensador y del acumulador de la Figura 6 conduce a D = Va - La

(5)

La diferencia entre los caudales molares del vapor y del líquido en cualquier parte de la sección superior de la columna es también igual a D, tal como se deduce considerando la parte de la planta encerrada por la superficie de control Z de la Figura 2.34. Esta superficie incluye el condensador y todos los platos por encima de n + 1. Un balance total de materia alrededor de esta superficie de control conduce a D = Vn-1 - Ln

(6)

FIGURA 2.36. Diagrama de balances de materia para una columna de fraccionamiento continúo.

Fuente: Operaciones Unitarias de Giankopolis

Por tanto, D es el caudal molar de materia que asciende en la sección superior de la columna. Con independencia de cambios en V y L, su diferencia es constante e igual a D. Balances similares para el componente A dan lugar a las ecuaciones

(7) El producto Dx, es el caudal neto del componente A que asciende en la

sección superior de la columna, que es también constante a través de esta parte del equipo. En la sección inferior de la columna las velocidades de flujo neto son también constantes pero su sentido es descendente. El flujo neto total de materia es igual a B y el del componente A es Bx,. Se aplican las siguientes ecuaciones: B=Lb- Vb=Lm- Vm+1 BxB, = Lbxb - VbYb = Lmxm - Vm+1+Ym+ 1

(8) (9)

Se utiliza m en vez de n para representar un plato general de la sección de agotamiento. Línea de operación. Puesto que hay dos secciones en la columna, hay también dos líneas de operación, una para la sección de enriquecimiento y otra para la sección de agotamiento. Consideremos primeramente la sección de enriquecimiento. Tal como se ha visto la línea de operación para esta sección es

(10) Sustituyendo el valor de Vaya - Laxa de la Ecuación (10) se obtiene

(11) La pendiente de la línea definida por la Ecuación (11), como es habitual, es la relación entre el flujo de la corriente de líquido y el de la corriente de vapor. Para un posterior análisis es conveniente eliminar Vn+1 de la Ecuación (11) mediante la Ecuación (3), dando

(12) Para la sección de la columna por debajo del plato de alimentación, aplicando un balance de materia a la superficie de control II de la Figura 2.34, se obtiene

(13) Que puede escribirse en esta forma

(14) Que es la línea de operación para la sección de agotamiento. Nuevamente la pendiente es la relación entre el flujo de líquido y el flujo de vapor. Eliminando Vm+1 de la Ecuación (14) por medio de la Ecuación (7) se obtiene

MARCO TEORICO DE REACTORES DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA. Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan REACTOR QUÍMICO. Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o desarrollar una reacción química son: •

Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para que los materiales entren en estado de reacción.

• Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción • Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la reacción Formas de cambios químicos: •

Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas más pequeñas, átomos o radicales.

•

Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con otra especie para formar un compuesto nuevo.

•

Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna descomposición externa o adición a otra, es simplemente un cambio de configuración estructural interna.

Clases de Reacciones Químicas. •

Reacciones Homogéneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya sea gaseosa, sólida, o líquida.

•

Reacciones Heterogéneas: Cuando se requiere la presencia de al menos dos fases para que tenga lugar la reacción a una velocidad deseada.

•

Reacciones Enzimáticas: Utilizan catalizadores biológicos (proteínas con alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas temperaturas)

•

Reacciones Catalíticas: Son aquellas reacciones que requieren de una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reacción; esta sustancia por su mera presencia provoca la reacción química, reacción que de otro modo no ocurriría.

•

Reacciones No Catalíticas: Los materiales reactantes no necesitan ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reacción química.

•

Reacciones Autocatalíticas: En esta reacción, uno de los productos formados actúa como catalizador, participando en otra etapa del proceso donde velocidad de reacción es más rápido que en la primera.

•

Reacciones Endotérmicas: Son aquellas que adsorben calor del exterior.

•

Reacciones Exotérmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el exterior.

DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO. Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control. Los reactores químicos tienen como funciones principales: • Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. • Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. • Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. Ecuación de Rendimiento. Es aquella expresión matemática que relaciona la salida con la entrada en un reactor químico, para diversas cinéticas y diferentes modelos de contacto.

• Modelo de Contacto: Está referido a como los materiales circulan a través del reactor y se contactan unos con otros dentro de este, además del tiempo que necesitan para mezclarse, y las condiciones y características de la incorporación de material. •

Cinética: Está referido a cuán rápido ocurren las reacciones, el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reacción química; estas factores están condicionados por la transferencia (balance) de materia y energía.

El balance de masas esta dado por la relación: ENTRA – SALE + GENERA – DESAPARECE = ACUMULA El balance de energía esta dado por la relación: ENTRA – SALE + GENERA - TRANSMITE = ACUMULA TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes: a) REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch. b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción. c) REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va

retirando productos y también incorporando más material de manera casi continúa. d) REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro. e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitación del contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme. f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas calientes. g) REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético. h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.

i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior. j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa. k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son similares a los reactores de burbujeo, pero la fase “líquida” esta formada por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido. l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor. n) REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción están limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la

membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias, removiéndolas

selectivamente

(o

ayudando

a

mantenerlas

en

una

concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface controlada entre dos o más reactantes. o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una “sopa” espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la penicilina. p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sólidas catalíticas, las características de las partículas sólidas y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas. También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante. REACTOR CSTR El reactor CSTR, o reactor continúo de tanque agitado, o reactor de retro mezcla, es un tanque equipado con facilidades para carga y descarga continua de material, para transferencia de calor y para agitación de la masa reaccionante. Cuenta además con la instrumentación que permite medir y controlar variables como el volumen y la temperatura. Este reactor es ampliamente utilizado en reacciones en fase líquida y en sistemas heterogéneos gas-líquido y sólido-líquido.

FIGURA 2.37. Esquemas de reactores CSTR.

Fuente: Enseñanza de reactores CSRT

En la operación normal de un reactor CSTR se cumplen dos condiciones fundamentales: •

Mezcla perfecta: implica que todas las condiciones de operación y las propiedades de transporte son iguales en cualquier punto de la masa reaccionante. Esta condición se expresa en el nombre mismo del reactor: de retro mezcla. La mezcla perfecta depende de la geometría del reactor y de las facilidades de agitación.

•

Estado estacionario: El régimen estacionario se refiere a que las condiciones de operación (temperatura, presión y concentración) no cambian durante el tiempo de operación del reactor.

Todo esto conlleva a modelar sin variaciones en la concentración, temperatura o velocidad de reacción en todos los puntos del reactor, es decir: ninguna de las variables es función del tiempo ni de la posición en el reactor. Otra particularidad asociada a la utilización del reactor CSTR es la baja eficiencia relativa, es comparación con otros reactores, con respecto a la relación de conversión por unidad de volumen. La concentración de reactivos en la corriente de entrada disminuye “instantáneamente” dentro del reactor debido a la retro mezcla; la corriente de entrada se homogeniza dentro del

reactor. A menor concentración de reactivos en el reactor, menor velocidad de reacción y por consiguiente, menor conversión por unidad de volumen. DINÁMICA DEL REACTOR CSTR FIGURA 2.38. Diagrama causal de la operación del reactor CSTR con intercambio de calor, en el que ocurre una reacción exotérmica

Fuente: Enseñanza de reactores CSRT

En el caso de una reacción exotérmica, en un reactor CSTR, la dinámica del proceso está determinada por cuatro eventos: conversión de reactivos en productos, energía liberada por la reacción, calor intercambiado con los alrededores y además, intercambio de energía mediante las corrientes de entrada y salida del reactor. El ciclo de conversión de reactivos en productos es negativo: a mayor concentración de reactivos, mayor velocidad de reacción; a mayor velocidad de reacción mayor concentración de productos y a mayor concentración de productos, menor concentración de reactivos. El ciclo de liberación de energía por reacción química es positivo: a mayor velocidad de reacción, más energía liberada; a mayor energía liberada, mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor velocidad de reacción. El ciclo de intercambio de calor es negativo: a mayor temperatura en el reactor, más calor se retira; a mayor calor retirado, menor temperatura.

Las corrientes de entrada y salida del reactor transportan energía interna por lo que se constituye un ciclo de control: el flujo de entrada de material aumenta la energía del sistema, E, a mayor energía total del sistema, mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor energía en la corriente de salida, a mayor energía que sale en la corriente de salida, menor energía en el reactor, completándose así un ciclo de retroalimentación negativo. Es decir, los flujos de entrada y salida de material al reactor CSTR hacen parte del sistema de control de temperatura. BALANCE MOLAR Para conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento de un reactor CSTR, es necesario establecer unos conocimientos básicos, empezaremos por definir de manera sencilla que es un balance: en un balance contamos la cantidad de una sustancia (como las moles de una especie química) o magnitud (como la energía) que entra, sale, acumula y/o se genera de dentro de un sistema. Balance molar del reactor CSTR:

Donde

representa el flujo de moles de j que entran al reactor

,

representa el flujo de moles de j que salen del reactor, el término integral de la velocidad de reacción de j con respecto al volumen es la generación de moles de j debido a la reacción y por último la variación de

con respecto al

tiempo es la acumulación de la especie j en el reactor. Debido a la agitación continua la velocidad de reacción no cambia con la posición en el reactor, por lo tanto:

Si el reactor opera en estado estacionario, es decir, las propiedades no cambian con el tiempo:

Entonces,

Despejando el volumen de reacción se obtiene la primera ecuación de diseño para un reactor CSTR

BALANCE DE ENERGÍA Una reacción química está acompañada por un efecto calórico, por lo tanto es importante conocer de qué manera se modifica la temperatura de la mezcla reaccionante. En el reactor CSTR la masa entra y sale del reactor constituyéndose así un sistema abierto, por lo tanto parte de la energía intercambiada con el entorno se debe a ese flujo de masa que entra y sale del reactor, el resto de intercambio de energía se debe al trabajo efectuado por el reactor y al intercambio de calor con el entorno.

En otras palabras se tiene:

Donde:

y

significan la energía que se intercambia con el entorno

debido a la masa que entra y sale del reactor respectivamente.

Significa la cantidad de energía que se acumula dentro del reactor debido a la masa. es el flujo de calor que se intercambia con el entorno se define como el trabajo de flujo y otros tipos de trabajo, El trabajo de flujo es el trabajo necesario para empujar la masa dentro o hacia fuera del reactor, y es definida como

, donde P es la presión y

es

el volumen específico de la sustancia j, en estos términos el trabajo se puede definir como:

Reemplazando la ecuación anterior en la ecuación del balance de energía y reorganizando, se tiene:

La energía

,

y

es la suma de la energía interna

, energía

cinética, energía potencial, energía eléctrica o cualquier otra clase de energía que esté asociada a la sustancia j , pero en la mayoría de casos la contribución de la energía cinética, energía potencial y las demás clases de energía resultan insignificantes al compararlos con la entalpia o el intercambio de calor por lo que se omitirán, recordando además la relación entre entalpia, energía interna y el producto

entonces se obtiene:

La entalpía que entra o sale del reactor se puede expresar como la suma de la energía interna introducida o extraída del reactor por el flujo de masa más

el trabajo de flujo, para la masa de la sustancia j que entra y sale del reactor respectivamente, se llega a:

Si consideramos que el reactor opera en estado estable, el término que involucra acumulación de energía se hace nulo, es decir:

El balance energía definitivo para un reactor CSTR será entonces:

Dejando el flujo de sustancia j que sale del reactor en función del flujo del componente de referencia A, el parámetro

y la conversión de A, logramos

simplificar y llegar a otras definiciones más manejables.

El flujo de sustancia j que entra al reactor también se puede dejar en función del flujo del componente A y el parámetro

Flujo de calor hacia el reactor Q El intercambiador de calor es el dispositivo encargado de transmitir el flujo de calor hacia el reactor, y las variables que suelen usarse son el coeficiente global de transferencia de calor, U, el área de intercambio de calor, A, la temperatura ambiente

y la temperatura dentro del reactor, T.

El coeficiente global de transferencia de calor se define como la resistencia térmica entre dos fluidos separados por una pared de cualquier geometría y se calcula considerando la resistencia térmica conductiva y convectiva

presente entre los fluidos. Por ejemplo para dos fluidos que bañan una pared cilíndrica el valor de U se calcula así:

Donde

y

hacen referencia al coeficiente convectivo de transferencia de

calor del fluido interno y externo respectivamente, L es la longitud del cilindro y A es el área de transferencia de energía. En adelante no se mencionará como calcular el coeficiente global de calor, ni su área de transferencia, sino se asumirá que ya se tiene el valor UA del reactor. El flujo de calor trasmitido hacia el reactor se puede expresar en función de la media logarítmica de los incrementos de temperatura en los extremos del intercambiador.

La

deducción

de

la

ecuación

de

transferencia de calor del

intercambiador

reactor en función de la

diferencia logarítmica

media, se puede encontrar

en

transferencia

como

de

calor

un

libro

al de el

"Transferencia de calor Anthony F, Mills" en el capítulo 8 de la versión en español. Si el intercambiador opera en estado estacionario, es decir, la energía no se acumula dentro del intercambiador, el balance de energía del intercambiador de calor seria:

donde

es la capacidad calorífica del fluido del intercambiador (la letra c

hace alusión a la chaqueta) y

es una temperatura de referencia,

eliminando algunos términos y reorganizando:

Al despejar la temperatura del fluido a la salida del intercambiador en la ecuación anterior:

Si se reescribe

o

reemplazando el valor de

, obtenemos:

Para velocidades de flujo de fluido del intercambiador elevadas podemos llegar a la siguiente aproximación:

Debido a la elevada velocidad de flujo no se consideraría una diferencia significativa entre la temperatura del fluido en la entrada y la salida del intercambiador, por lo tanto

:

CONCENTRACIÓN Como el reactor CSTR es un sistema de flujo continuo, la concentración en un punto dado puede ser determinada de la velocidad de flujo molar

y

de la velocidad de flujo volumétrico v, así:

De forma general:

Entonces, se puede escribir las concentraciones de A,B,C y D para la reacción general en términos de las velocidades de flujo iniciales, la conversión y la velocidad de flujo volumétrico:

Para simplificar las ecuaciones, se usa el parámetro :

Para reacciones en fase liquida que tienen lugar en solución, los cambios en la densidad del soluto no afectan la densidad total de la solución significativamente, esto es esencialmente un proceso de reacción a volumen constante; como consecuencia

, entonces:

De forma general:

CREACIÓN DEL MODELO Para poder llevar a cabo esta simulación el modelo se creara en el simulador de Hysys 3.2. Siendo el siguiente: FIGURA 2.39. Modelo a simular

Fuente: Elaboración propia

Este modelo nos permitirá producir Etilen Glycol, por reacción del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación PROCESO DE SIMULACIÓN El proceso de simulación a llevar a cabo será para realizar la simulación estacionaria y la simulación dinámica de un proceso químico en el ambiente del simulador de procesos Hysys. Se indican las facilidades para construir el

flowsheet, resolver los balances de masa y energía, y preparar el caso para correrlo en modo dinámico. CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR 1. Simulación Discreta: modelación de un sistema [...] por medio de una representación

en

instantáneamente

la en

cual

el

instante

estado de

de

tiempo

las

variables

separados.

(En

cambian términos

matemáticos [...] el sistema solo puede cambiar en instante de tiempo contables) 2. Simulación Continua: modelación [...] de un sistema por medio de una representación en la cual las variables de estado cambian continuamente en el tiempo. Típicamente, los modelos de simulación continua involucran ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de cambios de las variables de estado en el tiempo. 3. Simulación Combinada Discreta-Continua: modelación de un sistema por medio de una representación en la cual unas variables de estado cambian

continuamente

con

respecto

al

tiempo

y

otras

cambian

instantáneamente en instante de tiempo separados. Es una simulación en la cual interactúan variables de estado discretas y continuas. Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo de simulaciones: • Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una variable de estado continua. • Un evento discreto puede causar que la relación que gobierna una variable de estado continua cambie en un instante de tiempo en particular. • Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un evento discreto ocurra, o sea, programado. 4.

Simulación

Determinística

y/o

Estocástica:

una

simulación

determinística

es

aquella

que

utiliza

únicamente

datos

de

entra

determinísticos, no utiliza ningún dato de entrada azaroso. En cambio un modelo de simulación estocástico incorpora algunos datos de entrada azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad. 5. Simulación estática y dinámica: La simulación estática es aquella en la cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con la dinámica en la cual si es muy importante. 6. Simulación con Orientación hacia los eventos: modelaje con un enfoque hacia los eventos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos los eventos, entidades, atributos y variables del modelo en todo momento. 7. Simulación con Orientación hacia procesos: modelaje con un enfoque de procesos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los procesos que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en un esquema de flujo grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento a la entidad a través de la secuencia de procesos que debe seguir. La simulacion a utilizar como se menciono en el punro anterior sera la Estatica y Dinamica. ETILENGLICOL El Etilenglicol (sinónimos: 1,2-Etanodiol, glicol de etileno, 1,2-dioxietano, glicol) es un compuesto químico que pertenece al grupo de los glicoles. El etilenglicol es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espeso como el almíbar, a temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire en forma de vapor, el etilenglicol es inodoro pero tiene un sabor dulce. Se fabrica a partir de la hidratación del óxido de etileno (epóxido cancerígeno). Se utiliza como anticongelante en los circuitos de refrigeración de motores de combustión interna, como difusor del calor, para fabricar compuestos de poliéster, y como disolventes en la industria de la pintura y el plástico. El etilenglicol es también un ingrediente en líquidos para revelar fotografías, fluidos para frenos hidráulicos y en tinturas usadas en almohadillas para

estampar, bolígrafos, y talleres de imprenta. Representación del Etilenglicol

Nombre (IUPAC) sistemático 1,2-Etanodiol Fórmula molecular C2H6O2 PRODUCCION El etilenglicol se produce a partir de etileno, mediante el compuesto intermedio óxido de etileno. El óxido de etileno reacciona con agua produciendo etilenglicol según la siguiente ecuación química C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH Esta reacción puede ser catalizada mediante ácidos o bases, o puede ocurrir en un pH neutro a temperaturas elevadas. La mayor producción de etilenglicol se consigue con un ph ácido o neutro en presencia de abundante agua. Bajo estas condiciones, se puede obtener una productividad del 90%. Los principales subproductos obtenidos son dietilenglicol, trietilenglicol, y tetraetilenglicol. USOS El etilenglicol se emplea como anticongelante en sistemas de refrigeración y calefacción, como disolvente en las industrias de pinturas y plásticos y como ingrediente de los líquidos des congelantes utilizados en las pistas de los aeropuertos. Se utiliza en líquidos hidráulicos para frenos, en la dinamita de bajo punto de congelación, en tintes para madera, en adhesivos, en tintes para el cuero y en el tabaco. También sirve como deshidratante del gas natural, como disolvente de tintas y pesticidas y como ingrediente de condensadores electrolíticos.

DIETILENGLICOL Es de la familia de los alcoholes es un líquido viscoso, incoloro e inodoro de sabor dulce. Es higroscópico (propiedad de algunas sustancias de absorber y exhalar la humedad según el medio en que se encuentran), miscible en agua, alcohol, etilenglicol, etc... Se absorbe rápidamente por las vías digestivas y respiratorias y por contacto prolongado por la piel. El mecanismo de metabolización es llevado a cabo en el hígado y riñón, y la dosis letal para humanos se estima en un rango entre 0.014 a 0.170 miligramos de dietilenglicol por kilogramo de peso. PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS Apariencia: Líquido, claro, incoloro, prácticamente inodoro, sabor dulzoso Gravedad Específica (Agua=1): 1.1184 / 20°C Punto de Ebullición (ºC): 245.8 Punto de Fusión (ºC): -7 Densidad Relativa del Vapor (Aire=1): No reportada Presión de Vapor (mm Hg): 0.01 / 30°C Viscosidad (cp): 0.30 / 25°C pH: N.A. Solubilidad: Soluble en agua, etanol, acetona, éter. Insoluble en benceno, tolueno, tetracloruro de carbono. USOS El dietilenglicol es un humectante para el tabaco, la caseína, las esponjas sintéticas y los productos de papel. También se encuentra en compuestos de corcho, adhesivos de encuadernación, líquidos de freno, lacas de barnizado, cosméticos y soluciones anticongelantes para sistemas de aspersión. El dietilenglicol se utiliza en las juntas hidráulicas de los depósitos de gas, para la lubricación y el acabado de tejidos, como disolvente de colorantes de tina

y como agente deshidratante del gas natural. ÓXIDO DE ETILENO El óxido de etileno es un gas inflamable de aroma más bien dulce. Se disuelve fácilmente en agua. El óxido de etileno es una sustancia química manufacturada usada principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia química usada para fabricar anticongelante y poliéster). Una pequeña cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en ciertos productos agrícolas almacenados, y una cantidad muy pequeña se usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos médicos.

Otros nombres: Epoxietano Fórmula semidesarrollada: C2H4O PROPIEDADES FÍSICAS Densidad:

899 kg/m3; 0,899 g/cm3

Masa molar:

44.05 g/mol

Punto de fusión:

161 K (-112.1 °C)

Punto de ebullición: 283.5 K (10.4 °C) PROPIEDADES QUÍMICAS Solubilidad en agua: Miscible

CAPÍTULO III PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reacción del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En la Fig. 3.1 se presenta el flowsheet del proceso. FIGURA 3.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol

Fuente: Elaboración propia

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer. La corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y a 10 atm de presión. VARIABLES A EVALUAR Las variables a controlar son las corrientes de ingreso, como se muestran en la Tabla 3.1 TABLA 3.1 Variables a Controlar Nombre

Oxido de Etileno

Agua

Fracción de Vapor

-

0

Temperatura (ºC)

50

-

Presión (atm)

10

10

Flujo Molar (kgmol/h)

500

-

Composición de las corrientes de Ingreso Oxido de Etileno

Fracción Molar: 1.0

Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Agua

Fracción Molar: 0.0

Flujo Molar: 1000 kgmol/hr

Etilen Glicol

Fracción Molar: 0.0

Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Dietilen Glicol

Fracción Molar: 0.0

Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Fuente: Elaboración propia

MATERIALES Y EQUIPOS •

Datos Termodinámicos

•

Datos Cinéticos

•

Simulador Hysys

•

Computadora

•

Métodos Numéricos

ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO FIGURA 3.2. Algoritmo de simulacion

1. Formulacion del problema y del plan de estudio

2. Recoleccion y analisis de datos de entrada y definicion del modelo

NO

3. ¿Modelo conceptual valido?

SI 4. Construccion del modelo y verificar

5. Hacer corridas piloto

SI NO

6. ¿Modelo construido valido?

7. Diseño de experimentos

8. Hacer corridas de produccion

9. Analisis de los datos de salida

10. Optimizacion

11. Documentar, presentar y usar resultados

Fuente: Elaboración propia

RECOLECCIÓN DE DATOS Las reacciones, que se describen en Tabla 3.2, ocurren en fase líquida. El reactor tiene un volumen de 8 m3, se supone caída de presión nula y mantiene un nivel de líquido de 85 %. En la Tabla 3.3 se indican los datos cinéticos. TABLA 3.2. Reacciones Químicas

Fuente: Elaboración propia

TABLA 3.3. Datos Cinéticos

Fuente: Tablas termodinámicas

SIMULACIÓN DEL PROCESO SIMULACIÓN ESTATICA DEL PROCESO Comenzando a “dialogar” con el simulador... Creando un Set de unidades El primer paso en la construcción de un nuevo caso (New Case) de simulación es elegir el conjunto de unidades con el que se prefiere trabajar. HYSYS no permite modificar los tres conjuntos de unidades básicos (SI, EuroSI, Field) que trae incorporado, pero si posibilita generar a partir de ellos, un nuevo set que se ajuste a nuestras exigencias/preferencias. 1.- Para cambiar las unidades debemos seleccionar Tools del menú principal; posicionar el cursor sobre Preferences, aparecerá una pantalla titulada “Session Preferences (HYSYS.prf)”. Posicionar el cursor sobre la página Units y hacer click; esto puede verse en la Figura 3.3. El Set de Unidades por defecto es el conjunto SI, pero se puede modificar desde esta pantalla. FIGURA 3.3. Preferencia de Unidades

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para cambiar las unidades utilizadas se procede de la siguiente manera 2.- Click en SI en la lista Available Unit Set para asegurarnos que éste sea el set activo. Notar que la unidad por defecto para la presión es kPa. Deseamos cambiarla a atm. 3.- Presionar el botón Clone. NewUser aparecerá resaltado en Unit Set Name. Este es el nombre que asigna HYSYS al nuevo set de unidades; para cambiarlo debemos ingresar EG (nombre que decidimos asignarle al set de unidades que se utilizará para este caso) en la casilla nostrada en la Figura 3.4 4.- Nos movemos hasta la celda Pressure haciendo click en kPa. Abrir la lista desplegable de las unidades disponibles en la Barra de Edición haciendo click en 3.

FIGURA 3.4. Editando Unidades

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

5.- Haciendo click en atm, seleccionaremos la nueva unidad. El nuevo conjunto de unidades queda así definido. Presionando el botón Close se regresa al entorno de simulación. Inicio de la simulación: Construcción del Flowsheet Si hay otros casos en uso, es conveniente cerrarlos. Para ello, seleccionar Close All del menú File. Comenzar un nuevo caso seleccionando File New Case tal como se muestra en la Figura 3.5. FIGURA 3.5. Editando Unidades

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Aparecerá la ventana del Simulation Basis Manager como se muestra en la Figura 3.6. El próximo paso es crear el Fluid Package. Este contiene los componentes y el método elegido para la predicción de propiedades fisicoquímicas. FIGURA 3.6. Editando Fluid Package

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para agregar un nuevo Fluid Package, estando en la página Fluid Pkgs, presionar el botón Add. La elección del paquete de propiedades se realiza en la página Prop Pkg. Para nuestro ejemplo utilizaremos Wilson. Utilizando la barra de desplazamiento buscar Wilson en la lista Base Property Package Selection. Ubicar el cursor sobre la palabra Wilson y hacer click. Aparecerá un cartel en amarillo con la leyenda Wilson al pie de la ventana, como se muestra en la Figura 3.7 FIGURA 3.7. Editando Modelo termodinamico

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El siguiente paso es agregar los compuestos utilizados en el caso, para ello seleccionar la página Components como se muestra en la Figura 3.8. En la celda Match, ingresar “water”. Una vez que aparece el componente en azul, presionar el botón Add pure. . En la sección Current Component List aparecerá H2O. FIGURA 3.8. Editando Modelo termodinamico

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Volver

a

la

celda

Match,

hacer

click,

borrar

Water

e

ingresar

Ethylene_Glycol, presionar Add pure. Volver a la celda Match, ingresar EthyleneOxide, presionar el botón Add pure. Repetir para el último componente, ingresando Ethylene_Diglycol Una vez seleccionados todos los componentes aparecerá en la pantalla,

dentro de la sección Current Component List, una lista con los cuatro componentes adicionados. FIGURA 3.9. Componentes seleccionados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cálculo de los coeficientes binarios faltantes Ir a la página Binary Coeffs, si aparecen algunos coeficientes binarios sin calcular (esto es, si hay guiones de color rojo), presionar el botón Unknows Only tal como se muestra en la Figura 3.10. FIGURA 3.10. Coeficientes binarios

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

CINÉTICA DEL PROCESO Definición de la reacción química Recordemos que la definición de la reacción química pertenece a las actividades básicas o preliminares. Por lo tanto, lo primero que debemos hacer es acceder al denominado Basis Manager, si es que no estamos allí. Para ello se puede seleccionar el botón:

Si estamos en la ventana Fluid Package se puede proceder de la siguiente manera:

Ir a la página Rxns. Presionar el botón Simulation Basis Mgr..., aparece la pantalla Simulation Basis Manager. Ver Figura 3.11 Ir a la página Reactions.

FIGURA 3.11. Pagina de reacciones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionar el botón Add Comps..., aparecerá la pantalla Reaction Component Selection. Presionar el botón Add this Group of Components. Aparecerán los componentes en el recuadro Selected Reaction Components. Presionar el botón Close. Ver Figura 3.12 FIGURA 3.12. Añadiendo componentes

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionar el botón Add Rxn..., aparecerá una pantalla titulada Reactions. Ver Figura 3.13. Seleccionar el tipo de reacción: posicionar el cursor sobre Kinetic. Presionar el botón Add Reaction. Aparecerá la pantalla Kinetic Reaction: Rxn-1, en su primera página: Stoichiometry. Agregar los componentes de la reacción seleccionándolos de la lista desplegable en el campo superior de la pantalla. Aparecerán los pesos moleculares de cada componente. En primer lugar definiremos la reacción para la obtención del Etilenglicol, por lo tanto se seleccionan los compuestos H2O, Eglycol y C2Oxide. Ver Figura 3.13 FIGURA 3.13. Estequiometria de las reacciones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Completar los coeficientes estequiométricos, recordando que se deben asumir valores negativos cuando los coeficientes correspondan a reactivos. Verificar que el campo denominado Balance Error sea igual a cero. Nótese que los órdenes de reacción aparecen automáticamente, y son iguales a los coeficientes, pero pueden ser modificados ya que HYSYS los ha colocado en color rojo. Pasar a la página Basis. Ver Figura. 3.14. En el campo Basis seleccionamos Mole

Fraction.

En

el

campo

Base Component colocar

C2Oxide

seleccionándolo de la lista desplegable del campo superior. En el campo Rxn Phase , colocar LiquidPhase , también seleccionándolo de la lista desplegable del campo superior. Tomar en cuenta las unidades de velocidad utilizadas, las cuales son independientes del Set de Unidades seleccionado, y son las que determinarán las unidades de la constante en la ecuación de Arrhenius. FIGURA 3.14. Seleccionando modelo cinético

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Pasar a la página Parameters e ingresar los valores de los parámetros de la reacción con las unidades que correspondan. Para el caso de E (energia de activacion),

es

posible

ingresar

el

valor

y

seleccionar

la

unidad

correspondiente de la lista desplegable, en nuestro caso podemos ingresar E con el valor dado al inicio y seleccionar cal/gmol de la lista desplegable (Ver Figura. 3.15). Una vez ingresados los parámetros de la reacción directa, el cartel en rojo Not Ready cambiará por el de Ready en color verde. Esto significa que para HYSYS estos datos son suficientes ya que hemos elegido una reacción cinética y no una cinética reversible, y si bien se podrían agregar los datos para la reacción indirecta, esto no es necesario. Presionar el botón Close. FIGURA 3.15. Constantes de reacción

Hasta aquí hemos definido la primera de las reacciones consideradas. Es necesario definir la reacción correspondiente a la obtención del DEGlycol.

Por lo tanto, solo basta repetir los pasos enunciados anteriormente cambiando la estequiometria y los parámetros cinéticos A y E. La

reacciones que hemos definido se encuentran en el Grupo de Reacciones denominado Global Rxn Set, y es necesario adicionarlo al Paquete de propiedades que hemos definido, para ello, posicionados en la página Reactions de la vista Simulation Basis Manager, seguir los siguientes pasos: Presionar el botón Add to FP. Aparecerá una pantalla titulada Add ‘Global Rxn Set’, seleccionar con el cursor el Paquete de Propiedades BASIS-1 NC:4 PP:Wilson, y cuando se haya coloreado en azul, presionar el botón Add Set to Fluid Package. La palabra Basis-1 aparecerá en el recuadro Assoc. Fluid Pkgs. Ver Figura 3.16 FIGURA 3.16. Seleccionando segundo modelo cinético

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Hasta aquí hemos definido las bases de nuestro caso. Presionando el botón Enter to Simulation Enviroment se ingresa al ámbito de simulación. Entorno de Simulación DISEÑO DE FLOWSHEET Al ingresar al ámbito de simulación, aparecerá una ventana denominada PFD en la cual se irá construyendo el caso, y se visualizará además la plantilla de operaciones denominada Object Palette (Ver Figura 3.17). Esta herramienta contiene en forma de iconos, las diversas operaciones unitarias que se Utilizan en la construcción de casos de simulación. Presionando la tecla F4 la misma se activa o Desactiva. Para construir un caso se puede comenzar de diferentes modos, nosotros FIGURA 3.17

Elegiremos el siguiente: 1.- Definir las corrientes de alimentación. Primero activaremos la planilla para el ingreso de datos denominada Workbook.Presionando el botón En la página Material Streams, posicionarse en la celda **New** y agregar los Siguientes datos: TABLA 3.4. Datos de Operación Name

OxidoEtileno

Agua

-

0

Fraction Temperature ( C)

50

-

Pressure (atm)

10

10

Molar Flow (kgmol/h)

500

1000

Vapour/Phase

Fuente: Elaboración propia

Una vez ingresados estos valores se puede observar que las demás celdas permanecen con la palabra , porque aún es necesario agregar la composición de cada corriente. Ver Fig. 18

Seleccionar la página Compositions, y agregar las composiciones molares para cada componente: TABLA 3.5. Datos de composición Name

OxidoEtileno

Agua

Comp Mole Frac (H2O)

0

1

Comp Mole Frac (EGycol)

0

0

Comp Mole Frac (C2Oxide)

1

0

Comp Mole Frac (DEGlygol)

0

0

Fuente: Elaboración propia

FIGURA 3.18. Ingresando datos de operación

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Después de ingresar el primer valor de la composición de la corriente OxidoEtileno, aparecerá una pantalla llamada Input composition for Stream: OxidoEtileno. Ingresar el resto de los valores, verificar que el valor de la celda Total sea 1, y luego presionar el botón OK. Ver Figura 3.19. Repetir la operación para la corriente de Agua. FIGURA 3.19. Ingresando Composición

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Antes de continuar con la simulación, volver a la página Material Streams y verificar que se hayan calculado el resto de los valores para cada corriente. Ingresar al PFD (diagrama de flujo): hacer click en el icono PFD. Aparecerá una pantalla titulada PFD - Case Main. Allí aparecen las dos corrientes ya definidas. Podemos moverlas de lugar haciendo click sobre cada una y arrastrando con el mouse. 2.- Seleccionar el Mixer: Posicionar el cursor sobre el icono del Mixer en la paleta de objetos (Object Palette), y hacer click, luego posicionar el cursor en la posición del PFD dónde deseamos ubicar el Mixer, y hacer nuevamente click, aparecerá el diseño de un objeto cuya única función es la de mezclar varias corrientes para obtener una sola de salida. Ver Figura 3.20 FIGURA 3.20. Ingresando datos de operación

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

3.- Definir las propiedades del Mixer o mezclador. Hacer doble click sobre el icono del Mixer, aparecerá una pantalla titulada MIX-100, en su primera

Página. Aquí debemos definir: Connections: Podemos ingresar varias corrientes de alimentación (Inlets). Posicionar el cursor en **Add Stream**, abrir la lista desplegable de la barra situada en la parte superior de esta pantalla. Seleccionar Agua con el cursor, y automáticamente aparecerá esta corriente como alimentación del Reactor. Repetir la operación para OxidoEtileno. Posicionarse en la celda Outlet e ingresar el nombre Mezcla. Los datos ingresados hasta el momento son suficientes para que se efectúen los cálculos Correspondientes para determinar las propiedades de la corriente de salida del Mixer. Ver Figura 3.21 FIGURA 3.21. Conexiones del Mixer

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Parameters: Se puede continuar sin modificar los valores de esta página.

4.- Seleccionar el Reactor de Tanque Agitado (CSTR). Posicionar el cursor sobre el icono del CSTR de la paleta de objetos (Object Palette), y hacer click, luego posicionar el cursor en la posición del PFD dónde deseamos ubicar el reactor, y hacer nuevamente click, aparecerá el diseño del reactor. Ver Figura 3.22. FIGURA 3.22. Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

lo mismo en la celda Liquid Outlet ingresando la palabra Productos, y luego en Energy (Optional) ingresar Qreactor. Aparecerá un Cartel en amarillo con la leyenda Not Solved, pues aún faltan datos para que HYSYS pueda efectuar los Cálculos. Parameters: aquí se encuentran colocados por defecto el volumen del reactor. En la sección Optional Heat Transfer seleccionar Cooling, ya que la reacción es exotérmica. Reactions: abrir la lista desplegable en la celda Reaction Set y seleccionar Global Reaction Set. Aparecerá un cartel verde con la leyenda Ready. Esto significa que ha sido asignada una reacción al reactor. En la sección Vessel Parameters, modificar el volumen del reactor a 8 m3 y el nivel del líquido (Liquid Level) a 85%. Ver Figura 3.23 FIGURA 3.23. Reacciones del Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Worksheet: en esta página observamos todas las corrientes que entran o salen del reactor, mientras en la parte inferior se observa la leyenda Not Solved en color amarillo, esto es porque HYSYS no dispone de todos los datos necesarios para resolver el modelo del reactor. El reactor puede funcionar de las siguientes maneras: i) Isotérmico: Para ejemplificar ingresar el valor 98.6212 ºC (valor correspondiente a la mezcla de reactivos) en la celda de temperatura de la corriente Productos. La leyenda Not Solved debe cambiar a OK, en color verde. Ver Figura 3.24. Nótese que se han completado todos los valores de las corrientes Productos y Venteo. Podemos ir a la página Reactions para ver el % de conversión alcanzado. FIGURA 3.24. Worksheet del Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

ii) Adiabático: volver a la página Worksheet, posicionar el cursor sobre la temperatura de la corriente Productos y presionar , con ello se volverá al valor original de ésta celda y de todas las que se calcularon a partir de ella. Luego posicionarse en Heat Flow de la corriente Qreactor e ingresar el valor cero. HYSYS comienza a calcular y después de algunos momentos mostrará los valores calculados (271 ºC para los productos), con una conversión del 100%. Analizar estos resultados. iii) Politrópico: Siguiendo los procedimientos anteriores se pueden resolver casos de funcionamiento no isotérmico-no adiabático. En este caso ingresar 180ºF en la celda de temperatura de la corriente Productos. El PFD desarrollado hasta este momento debe modificarse, si es necesario, para que su apariencia sea similar a la Figura 3.25. Grabar el caso seleccionando File ® Save. FIGURA 3.25. Flowsheet preparado hasta el momento

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Aparecerá la casilla de diálogo Save Simulation Case As. Escribir un nuevo nombre, por ejemplo CASOEG, en la celda File Name. Nótese nuevamente que no es necesario ingresar la extensión .HSC; HYSYS lo añadirá automáticamente. Presionar el botón OK, y HYSYS salvará el caso bajo el nuevo nombre. Uso de Case Studies Con el objeto de realizar un estudio sobre la reacción de obtención de Etilenglicol para diferentes condiciones operativas, se puede hacer uso de una de las posibilidades ofrecidas a través de la herramienta Databook, estudios sobre un caso o Case Studies. En primer término analizaremos la influencia producida por la relación de reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una corriente dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la operación SET. Ver Figura 3.26. FIGURA 3.26. Opción Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la corriente. Hacer doble clic sobre el icono del SET. En el grupo Target Variable presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la Figura 3.27. FIGURA 3.27. Select Tarjet Object

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver Figura 3.28. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 3.29. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.

FIGURA 3.28. Set 1- Conexiones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 3.29. Set 1- Parámetros

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las variables involucradas en el Análisis. En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 3 30. FIGURA 3.30. Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la columna Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 3.31. Presionar el botón OK al finalizar. FIGURA 3.31. Variables de Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables indicadas la Figura 3.32 FIGURA 3.32. Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies 1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las variables independientes y dependientes. Entendemos por variables independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales se determinan los valores de las demás variables. Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos serán las variables dependientes. Ver Figura 3.33. FIGURA 3.33. Databook Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 3.34. Observar el

recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se calcularán. FIGURA 3.34. Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura 3.35. FIGURA 3.35. Grafico de Resultados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve favorecida frente a la de DietilenGlicol.

Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Aplicación de Columnas de Destilación En esta parte se deberá comenzar a trabajar con el archivo Planta1.hsc que contiene el diagrama de flujo, representado en la Figura 3.25 El objetivo es incrementar el diagrama de flujo de acuerdo con el de la Figura 3.36 FIGURA 3.36. Completando Flowsheet

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El primer paso consiste en incorporar una válvula cuya única función es disminuir la presión de la corriente que fluye del reactor. Presionando F4 aparecerá la paleta de objetos, la válvula corresponde al icono mostrado en la Figura 3.37. FIGURA 3.37. Válvula FIGURA 3.38. Válvula Parámetros

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la sección Parameters se introducirá la caída de presión correspondiente a 8 atm (ver Figura 3.38). Agregando la columna de destilación La inserción de la columna puede realizarse desde el PFD. Presionando F4 aparece la paleta de objetos tal como se muestra en Figura 3.17 y se selecciona

el

esquema

de

la

columna

con

sus

correspondientes

condensador y rehervidor. (Ver Figura 3.39) Haciendo doble click en el esquema de la columna aparecerá el Distillation Column Input Expert (ver Figura 3.40) a fin de guiar en el llenado de los datos que definen a este sistema. En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos:

FIGURA 3.39. Valvula

o Número de etapas: 10 o Plato de alimentación: 5 o Nombre de la alimentación: FeedColumna o Tipo de condensador: Total

o Nombres de las corrientes de materia y energía según se muestra en la Fig. 41. Completada la página 1 se habilitará el botón Next. Presionando este pasaremos a la página siguiente.

En la página 2 de 4 se define el perfil de presión dentro de la columna. Los valores son: o Presión en el condensador: 15.00 psia o Presión en el rehervidor: 17.00 psia o Caída de presión en el condensador: 0 psia

FIGURA 3.40. Propiedades de la columna de destilación Pág. 1

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la página siguiente (3/4) se pueden ingresar estimaciones. Estos valores son opcionales y no se consideran en este ejemplo. En la última página (4/4) se ingresan las especificaciones operativas de la columna: o Relación de reflujo: 0.7 o Flujo: Base molar

Al terminar presionar el botón DONE. FIGURA 3.41. Propiedades completas de destilación Pág. 1

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Los datos del sistema quedan completamente definidos. Una vez posicionados en el libro de cálculo correspondiente a la columna en la hoja Specs se debe notar que las especificaciones establecidas deben ser tales que garanticen que los grados de libertad sean igual a 0 indicando que la columna ya está lista para ser resuelta. Además el INPUT EXPERT indica que se requiere la especificación en 2 variables a fin de conformar el conjunto de datos que configuren esta condición (grados de libertad = 0). La adición de especificaciones distintas de las sugeridas por el INPUT EXPERT

se realiza como se muestra en la Figura 3.42. Presionando el botón ADD aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser especificadas. Se seleccionará COMPONENT FRACTION (Figura 3.43) y aparecerá una nueva ventana como la que se muestra en la Figura 3.44, en la que deberán consignarse los datos que allí aparecen. Luego apretar Close y esa opción queda incluido en la lista de especificaciones. Es importante notar que pueden aparecer en la hoja Monitor varias especificaciones a la vez, sin embargo las únicas con las que efectúa el cálculo es con las que tienen la x en la columna ACTIVE. Volviendo a la hoja Monitor si se presiona Group Active se reordenan las especificaciones activas. Finalmente presionando FIGURA 3.42. Propiedades Specs

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

el botón Run comienza el cálculo en estado estacionario de la columna. El mismo consiste en cerrar los balances de masa y energía bajo la suposición de que las “entradas” son iguales a las “salidas”.

FIGURA 3.43.

FIGURA 3.44. Fracción de Agua

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cuando el cálculo ha culminado con éxito aparece el cartel en fondo verde CONVERGED (ver Figura 3.45) indicando que se han podido evaluar correctamente las variables de interés respetando las especificaciones dadas. Notar que la mayoría de los datos de interés aparecen en la hoja SUMMARY así como los perfiles de las variables tales como temperatura, presión, flujos de líquido y vapor se hallan presentados en la hoja PROFILE. FIGURA 3.45. Monitor de la Columna

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Los resultados del caso principal pueden verse en el WORKBOOK desplegando la información detallada según se observa en la Figura 3.46. FIGURA 3.46. Workbook

3.7 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Es posible también presentar una WORKBOOK con las composiciones de las corrientes tal como se muestra en la Fig. 47. Que es el Balance e Materia del destilador. Asi tambien en la pagina Energy Streams encontraremos el balance de energia. FIGURA 3.47. Balance de Materia

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO Simulación en modo Dinámico Caso II: Reactor de producción de Propilenglicol Instalación de controladores PID

En este trabajo se propone la instalación de controladores en un reactor de producción de Propilenglicol. Por lo tanto, el usuario deberá instalar lazos de control locales y externos en el reactor. El usuario comenzará a trabajar con el archivo llamado “PG-Dinamico.hsc”.

FIGURA 3.48. Flowsheet

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cabe señalar que se entiende por “control local” a aquellos que están implícitamente vinculados a las operaciones unitarias con el volumen de líquido en ellos retenidos (holdup). Por ejemplo cada recipiente tiene un control local de nivel. Luego si se produjera alguna alteración en el nivel de líquido, por ejemplo una subida extrema, la válvula de líquido asociada se encargaría de efectuar una salida del mismo para mantener el nivel en valores predeterminados. Cada operación unitaria con volumen retenido que presenta HYSYS tiene incorporadas válvulas de vapor y líquido como un elemento estándar de la operación. La información necesaria para el dimensionamiento de estas válvulas se encuentra en la página correspondiente a Liquid Valve o Vapour Valve.

Se

analizará

en

cada

equipo

con

volumen

retenido,

el

dimensionamiento de las correspondientes válvulas. Inicialmente se realizará para el caso de la válvula de vapor del reactor tal como se observa en la pantalla de la Figura 3.49.

FIGURA 3.49. Vapour Valve del Reactor CSTR

En este caso las condiciones de la reacción son tales que no producen vapor en el reactor. El flujo a través de la válvula de vapor se calcula basándose en la presión diferencial entre el interior del recipiente y la corriente aguas abajo del equipo. Si la presión en el reactor comienza a subir la válvula debe abrirse a fin de producir el venteo del equipo. Esta clase de “control local” sería equivalente a tener un controlador de punto digital que abre o cierra la

válvula en caso de que la variable de proceso exceda un determinado valor límite. Análogamente a lo anterior sucede con la válvula de líquido del reactor a la que se le han asignado los valores indicados en la Figura 3.50. Cabe señalar que dado que la variación de nivel en el reactor produce cambios en el caudal de sus productos y que éstos a su vez son los que alimentarían a la columna de destilación aquí sólo se incorporarán los valores máximos y mínimos de flujo. Por lo tanto, en este caso se optará por efectuar el control de nivel en forma externa como se verá posteriormente.

FIGURA 3.50. Vapour Valve del Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Instalación de controladores externos La nomenclatura utilizada para las principales variables que tienen que ver con el controlador es: PV: variable de proceso, corresponde a la variable controlable

OP: salida (OUTPUT) o variable manipulable, encargada de mantener a PV en su valor de SET POINT. También se debe tener en cuenta que la acción de control puede ser: Directa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de válvula también aumenta. Inversa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de válvula debe disminuir “TUNING”: Se refiere a la sintonización de los controladores; es decir, darle valores a los parámetros de ajuste del mismo, tales como ganancia, tiempo integral y tiempo derivativo. Considerar que HYSYS sólo tiene incorporados controladores clásicos PID y en caso de necesitar esquemas de control de otro tipo es necesario incorporarlo a través de programas especialmente diseñados para ello. Instalación de control de nivel en el reactor De la paleta de objetos (OBJECT PALETTE -F4-) seleccionar el controlador PID. Ver Figura 3.51. Colocarlo en el PFD, y hacer doble click sobre él. FIGURA 3.51. Controlador PID

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la primera sección, Connections, debemos definir la variable controlada (PV) y la variable manipulada (OP). Presionamos el botón Select PV... y se nos abrirá la ventana Select Input PV, debemos seleccionar la variable Liquid Percent Level del reactor como se indica en la Figura 3.52. FIGURA 3.52. Select Input Pv

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionamos el botón OK y regresamos a la vista original. Para seleccionar la variable manipulada hacemos click sobre el botón Select OP y elegimos la corriente Productos. Finalmente nos quedará definido el controlador como se muestra en la Figura 3.53. FIGURA 3.53. Reactor LC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Debemos ingresar los demás parámetros necesarios para definir el controlador guiándonos por la tabla siguiente.

TABLA 3.6. Parámetros

Connections

Parameters

Tunning

Name

Reactor LC

PV – Process Variable Source

Object: Reactor

Output Target Object

OP: Productos

PV Minimum

0%

PV Maximum

100%

Control Action

Direct

Kp

1

Ti

20

Td

porque se opta por un controlador PI Fuente: Elaboración propia

Finalmente, definido el controlador, activaremos la ventana que nos permite modificar los parámetros del controlador denominada Face Plate. Debemos presionar el botón Face Plate que se encuentra en la parte inferior de la ventana del controlador. Aparecerá una nueva ventana en la que cambiaremos el modo del controlador a Auto. Ver Figura 3.54. FIGURA 3.54. Tuning

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Instalación de control de temperatura en el reactor Repitiendo los pasos anteriores instalar un nuevo controlador PID y definirlo según los valores de la siguiente tabla.

TABLA 3.7. Parámetros PID

Fuente: Elaboración propia

Para dimensionar la válvula de flujo calórico presionamos el botón View Control Valve en la sección Connections y completamos los siguientes datos: o Asegúrarse que el botón DIRECT Q está seleccionado. o MIN AVAILABLE: 0 kW o MAX AVAILABLE: 2500 kW. (aprox. el doble del valor de estado

estacionario que coincide con el valor de SP) o Presionar Close. Para decidir qué valores poner para el PV MIN y PV MAX se toma como punto de partida el valor de estado estacionario, en este caso corresponde a la actual temperatura de operación del reactor 60° C. El objetivo se plantea como tratar de mantener la temperatura del reactor en ese valor, luego se propone un rango de PV entre 20 y 120 ° C. Finalmente activar el Face Plate, presionando el botón correspondiente. Consideraciones previas a la simulación en modo dinámico.

Al trabajar con el caso en forma “dinámica” puede resultar útil ir observando la evolución de las variables de interés en forma gráfica o numérica. En particular esta última opción es útil para guardar en archivos aquellos resultado de los que pueden obtenerse conclusiones. HYSYS presenta una interesante herramienta para este fin como es el STRIP CHART. Por ello, en lo que sigue se presentará un pequeño resumen de las etapas a seguir para recopilar y visualizar los resultados de una simulación. TABLA 3.8. Etapas a seguir VARIABLES CONTROLADAS

VARIABLES MANIPULADAS

Temperatura del Reactor

Caudal de la corriente de Productos

Nivel del Reactor

Caudal de la corriente Refrigerenate

VARIABLES DE INTERES

OTRAS

Comp. Molar de Oxido de Propileno

SetPoint del Reactor LC

Comp. Molar de Agua

SetPoint del Reactor TC

Comp. Molar de Propilen Glicol Fuente: Elaboración propia

Una vez ingresadas todas las variables, nos posicionamos en la sección StripCharts. Presionando el botón Add se genera un nuevo grafico denominado Strip Chart 1. El nombre puede ser cambiado haciendo click en la celda Strip Chart Name y escribiendo el nuevo valor. Para seleccionar las variables a visualizar se activan las casillas de la columna Active. Cuando el numero de variables a monitorear es grande conviene agruparlas por categorías y utilizar varios Strip Charts. En la Figura 3.55 se muestran el conjunto de variables para el reactor que aparecerán graficados en la pantalla Variables Reactor. Notar que las variables seleccionadas se indican en su correspondiente cuadro por medio de una cruz. FIGURA 3.55. Variables del reactor a graficar

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Las diferentes características vinculadas netamente con la presentación gráfica se establecen presionando el botón Setup de la pantalla mostrada en la Figura 3.55. A partir de allí aparece la pantalla de la Figura 3.56 permitiendo en cada hoja asignar distintas propiedades.

FIGURA 3.56. Variables del reactor

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Pasando al modo dinámico... Para alternar al modo dinámico se presiona el botón

Así aparece en

la barra de menú el botón con el símbolo integral con el cual se comienza o detiene la integración numérica de las ecuaciones diferenciales. Este botón aparece sólo en modo dinámico. Inicio de los cálculos dinámicos. El caso ya está listo para iniciar una corrida en modo dinámico. Para comenzar los cálculos es necesario acceder al Integrador que forma parte del menú encabezado por Simulation y aparece la pantalla de la Figura 3.57. FIGURA 3.57. Integrador

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El ítem Current Time señala el tiempo actual de corrida. Presionando el botón Start aparecen las variables claves evolucionando en el tiempo e indicadas por el StripChart en cada etapa. El botón Start cambia por Stop mientras se efectúan los cálculos de integración. Una vez presionado el botón Stop el procedimiento se detiene, de otra forma el cálculo continúa hasta alcanzar el tiempo indicado en el ítem End Time. El botón Reset restablece las condiciones de estado estacionario iniciales del sistema. Incorporando perturbaciones al sistema En este ejemplo se efectuarán algunos cambios en determinadas variables a partir del estado estacionario del sistema que se viene analizando. En la Figura 3.58 se observan, a través de los Face Plates de los controladores, los valores de Set Point, variable controlada y manipulada del nivel y temperatura del reactor. Luego de haber corrido el programa durante 30 minutos y, dado que hasta el momento no se Introdujeron cambios en los valores de las variables de interés, éstas permanecen en el rango de partida a lo largo del tiempo. FIGURA 3.58. Variables de Interés

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Perturbación en escalón de la temperatura En el primer caso se propone efectuar una caída de temperatura en el reactor de 60 ºC a 30 ºC. Para ello se debe clickear en Tuning del Face Plate de temperatura del reactor y en la hoja Parameter se debe ingresar el nuevo SP (set point) = 30 ºC. Luego de correr el programa hasta los 130

minutos de simulación aparecerá la pantalla tal como se muestra en la Figura 3.59 para el caso de las variables de interés vinculadas al reactor. Puede observarse que la línea en rojo corresponde al cambio de SP pedido y la línea azul corresponde a la evolución de la temperatura en el reactor. La producción del Propilenglicol disminuye dado que a una temperatura más baja la cinética también cambia (línea de trazos). FIGURA 3.59. Simulación de variables

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Perturbación de la temperatura mediante una función rampa En este caso se pretende llevar al reactor a la temperatura de 80 ºC. Para ello se procederá como en el caso anterior estableciendo las condiciones pedidas a través del controlador de temperatura Reactor TC, tal como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. En la página Tuning se observa el ítem Set Point Ramping que se completará de acuerdo con los datos presentados en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. Con esto se pretende que la temperatura se eleve hasta los 80 ºC alcanzando ese valor en un período de 30 minutos. Así la pendiente de la rampa queda totalmente especificada. La opción Start Ramp es la encargada de disparar la orden de comenzar. Luego se inicializa el integrador a partir del punto anterior con el comando Start o presionando el

símbolo de la Integral que se encuentra en la barra de herramientas. FIGURA 3.60. Reactor TC Tunning

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la Figura 3. 61 puede observarse la evolución de la rampa en el Set Point y el buen seguimiento que realiza la temperatura del reactor con lo cual queda demostrado que el ajuste del controlador que aquí actúa resulta eficiente para este equipo. En la Figura 3.62 puede observarse que los datos generados en el total de estas corridas han sido guardados en el History data y que si resultan de interés los datos pueden enviarse a un archivo presionando el comando Save to file. FIGURA 3.61. Evolución de la rampa en el set point

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para acceder a la ventana History Data se ingresa a la Sección Strip Charts del Databook y seleccionando el Strip Chart correspondiente, al presionar Historical se abre la ventana mostrando los valores de las variables en forma tabular. FIGURA 3.62. History Data

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

CAPÍTULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS Después de completar el proceso de construcción de la simulación, podemos determinar y evaluar una serie de pruebas para poder determinar, como se comporta el Proceso variando las diferentes variables que se propusieron para la ejecución de esta simulacion. Para esto en el proceso final através del workbook, iremos cambiando una a una estas variables y veremos como afecta al proceso final de obtención del producto. Primero lo haremos cambiando el flujo de agua suministrado al inicio del proceso: Dos casos uno con 500 kgmol/h y otro con 750 kmol/h, el primer caso lo veremos en la Figura 4.1 y su composición en la Figura 4.2 y para el segundo caso en la Figura 4.3 y su composición en la Figura 4.4 FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.3 Wokbook para 750 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Despues de analizar las Figuras 4.1, 4.3 y 4.5, podemos afirmar que el aumento del flujo de agua hace que la cantidad de flujo obtenido en el fondo de la Destilacion que es el que no interesa se incremente, lo mismo podriamos afirmar para el caso de la produccion del reactor. Pero si nosotros nos fijamos con más detenimiento en las Figuras 4.2, 4.4 y 4.6, que nos propociona la composicion de las diferentes corrientes de todo el proceso, nos sorprenderemos al notar que si bien el flujo de producto de fondos disminuye al reducir el flujo de alimentacion de agua al proceso, pero la composicion respecto al producto que nos interesa que es el DEGlycol se incrementa considerablemente, pasando lo mismo en el producto del reactor, lo cual nos llevara a concluir que para mejorar la composicion del producto en lo que respecta a DEGlycol, debemos reducir el flujo molar de alimentacion de agua al sistema. Como segunda opción cambiaremos la presion del sistema en el reactor, usaremos presion de 5, 10 y 15 Atm, para la opción inicial de flujo de agua

de 1000 Kgmol/h, como lo que más no interesa es la composición mostraremos en la Figura 4.7, 4.8 y 4.9 la composición para cada presión respectivamente. FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm.

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm.

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para esta variable de la presión del sistema la figura 4.7 nos muestra todo vacío debido a que la presión estaría por debajo de la presión de la válvula de descompresión por lo tanto no se podría trabajar, ha no ser que se cambiase de válvula; sin embargo las Figuras 4.8 y 4.9 nos muestra claramente que ésta variable no afecta en mejorar o deteriorar la composición del producto final, por lo que se puede afirmar que esta variable no es significativa en la simulación pero sí necesaria y que según informacion teórica la presión de 10 atmosferas es la más adecuada para llevar el proceso en manera óptima. Por lo que se le considerará como un parámetro de producción. Finalmente la última variable con la cual analízaremos es con la temperatura de alimentación del C2Oxide al sistema, entonces en las Figuras 4.10, 4.11 y 4.12 mostraremos la composición para temperaturas de 30ºC, 50ºC y 80ºC. de alimentación del C2Oxide para una presión de 10 atmosferas y un flujo de

agua de 1000Kgmol/h.

FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El cambio de Temperatura es lo que nos proporcionará el cambio final de la temperatura de la mezcla que entrará al reactor pero en lo que refiere a las composiciones no surtirá ningun efecto ya que para percibir los cambios que puedan ocasionar la variación de la temperatura tendríamos que revisarlo en el reactor ya que la cinética siempre varía con la temperatura y por lo tanto hará que cambie la velocidad de reacción. APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A PRUEBAS Para poder optimizar el proceso lo haremos en el reactor ya que es allí donde no interesa que se obtenga la mayor cantidad del producto que es el DeGlycol. En primer término analizáremos la influencia producida por la relación de reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una corriente dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la operación SET. Como vimos en la Figura 3.26. Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la corriente. Hacer doble click sobre el ícono del SET. En el grupo Target Variable

presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la Figura 4.13. FIGURA 4.13. Select Tarjet Object

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver Figura 4.14. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 4.15. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.

FIGURA 4.14. Set 1- Conexiones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.15. Set 1- Parámetros

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las variables involucradas en el Análisis. En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 4.16.

FIGURA 4.16. Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la columna Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 4.17. Presionar el botón OK al finalizar. FIGURA 4.17. Variables de Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables indicadas la Figura 4.18

FIGURA 4.18. Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies 1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las variables independientes y dependientes. Entendemos por variables independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales se determinan los valores de las demás variables. Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos serán las variables dependientes. Ver Figura 4.19. FIGURA 4.19. Databook Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 4.20. Observar el recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se calcularán. FIGURA 4.20. Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura 4.21. FIGURA 4.21. Grafico de Resultados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve favorecida frente a la de DietilenGlicol. Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la

corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Despues de haber corrido todo este set de pruebas revisamos el WorkBook, entregándonos los siguientes resultados. FIGURA 4.22. Workbook del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Donde vemos que la temperatura del producto esta a 100ºC siendo el producto de 58100 Kg/h, que será la mezcla de agua C2Oxide y DeGlycol, pero sí revisamos la pestaña de composición veremos que 0.4543 fracción molar es de DEGlycol FIGURA 4.23. Composición del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.24. Composición del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

También observamos en la Figura 4.23 que según esta optimización la relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de ser 0.5236 y 0.4764 en fracción molar respectivamente, para poder mejorar la obtención de DEGlycol a 0.4543 en fracción molar. Comparando con la Figura 4.24 lo que se obtiene con la alimentacion inicial tendríamos que esta relación era de 0.6667 y 0.3333 en fraccion molar respectivamente.

Asimismo veremos que en el reactor de acuerdo a la cinetica de las reacciones, para las condiciones iniciales Figura 4.25 y Figura 4.26 tenemos un porcentaje de conversión como el que se ve en la Figura 4.27

FIGURA 4.25. Condiciones del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Vemos que la relación en fracción molar de la mezcla de agua y C2Oxide es de 0.6667 y 0.3333 respectivamente, obteniéndose un producto de 0.2497 en fracción molar de DEGlycol. Lo que ocasiona que se tenga una temperatura de 100ºC, con lo que se alcanza un porcentaje de conversión de cada una de la reacciones de 49.96% respectivamente. FIGURA 4.26. Composición del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.27. Conversión de las reacciones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para poder ver si esta temperatura es la adecuada jugamos con dos temperaturas y observaremos como varía el porcentaje de conversión. En las Figuras 4.28 y 4.29 FIGURA 4.28. Condiciones del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para una Temperatura de 60ºC el porcentaje de conversión de las reacciones será de 49.18 y 49.12 respectivamente que se encuentra muy cercana la conversión de 100ºC. FIGURA 4.29. Condiciones del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para una Temperatura 49.84 y 49.83 respectivamente que se encuentra muy cercana la conversión de 100ºC. Lo cual nos dá como indicactivo que se podría trabajar a 60ºC pero como estas reacciones son exotérmicas y viendo que a 100ºC se tiene una mayor

conversión aunque no es tan significativa lo dejaremos en esa temperatura porque para llegar 60ºC tendríamos que hacer mayor gasto en enfriamiento lo cual no sería beneficioso económicamente. EVALUACIÓN

DE

RESULTADOS

DE

ACUERDO

AL

MÉTODO

DE

OPTIMIZACIÓN Habiendo revisado todas las evaluaciones anteriores, entonces podríamos hacer las correcciones correspondientes en las diferentes corrientes de materia prima para ver que es lo que obtenemos. Primeramente de acuerdo a la optimización de flujos de alimentación trataremos de aproximarnos a la relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de se 0.5236 y 0.4764 en fracción molar respectivamente, para esto cambiaremos el flujo de agua de alimentación a 600 kmol/h. FIGURA 4.30. Flujo de alimentación al mixer

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cuya composición será de 0.5455 y 04545 en fracción molar de agua y C2Oxide, respectivamente, un tanto próxima a la obtenida en el proceso de optimización. FIGURA 4.31. Composición de alimentación al mixer

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Luego ingresaremos al Workbook donde verificaremos que para 100ºC la composición en fracción molar de los productos, principalmente el DEGlycol se incrementa a 0.4163 en vez de 0.2497 que era anteriormente, casi duplicándose, como se ve en la Figura 4.32. De la misma forma en el CSRT veremos cual es el porcentaje de conversión de acuerdo a la cinética en la Figura 4.33. FIGURA 4.32. Porcentaje de Conversión en el CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.33. Porcentaje de Conversión en el CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Finalmente veremos la composición total del proceso en el Workbook Figura 4.32 y el balance de materia de todo el proceso es el sigueinte: FIGURA 4.34. Balance Total del proceso

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN Partiendo de lo planteado en la hipótesis podemos indicar que si es fáctible en primer lugar modelar un sistema industrial, en este caso la producción del Dietilenglycol (DEGlycol) en el simulador Hysys y luego con este modelo simular la obtención del producto requerido de la manera más óptima, jugando con las variables como lo hemos demostrado en los punto 4.2 y 4.3. con lo que nosotros podemos concluir la aceptación de la investigación que hemos llevado a cabo. Justificando también que este proceso simulativo puede reemplazar el proceso de experimentación directa en laboratorio con lo que ahorramos tiempo.

CONCLUSIONES Inicialmente construímos el flowsheet de la producción de Dietilenglycol, quedando completamente diseñado todo el proceso como se especificó y con lo que se cumple con el primer objetivo. Después de ajustar la variables

de ingreso, como son los flujos másicos de

ingreso, la temperatura y la presión de trabajo que son las condiciones de operación se resolvieron los balances de masa y energía de cada equipo utilizado, en las diferentes utilidades que presenta el proceso, para resolver los balances en el reactor se analizó la cinética de reacción. Evaluada la información teórica de la cinética de reacción de las diferentes reacciones que se llevan a cabo al mezclarse los flujos másicos de alimentación, cargamos la información en el simulador y obténdremos los resultados correspondientes que al optimizarlos nos dan una producción de 0.4163 en fracción molar del Dietilenglicol en el flujo de salida del reactor, el que inicialmente sólo era de 0.2497,con lo cual conseguimos óptimizar este proceso de reacción. Se diseñó completamente el mixer, el reactor y la columna de destilación necesaria, optimizando y balanceando completamente todas sus corrientes de flujo de ingreso y salida de todos ellos. Se simuló todo el proceso obteniéndose las composiciones de todos los equipos como se muestra en el workbook, herramienta o facilidad que nos entrega el simulador y que nos muestra como finalmente queda el proceso.

La eficiencia obtenida en el proceso de reactor para la diferentes reacciones llevadas a cabo fue de 49.98 % de porcentaje de conversión respectivamente. Asi mismo la obtención del producto en la cola del destilado fue de 99.9 % en fracción molar del DeGlycol. Finalmente podemos afirmar que con el simulador Hysys se puede modelar y simular un proceso industrial y optimizar su condiciones de operación, con lo que se puede ahorrar el proceso de investigación en laboratorio, asi como corregir operaciones en planta.

RECOMENDACIONES Si bien se ha demostrado lo planteado en nuestros objetivos, sería de mucha importancia

profundizar

el

uso

del

simulador

Hysys

y

aprovechar

profundamente las facilidades que presenta este simulador. Se recomienda el uso de este simulador Hysys en su nueva versión para el proceso de productos electrolíticos que esta versión aún no estaba disponible.

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http://www.laneros.com/showthread.php?t=19051http://www.scielo.cl/scielo.php? script=sci_arttext&pid=S0718-07642005000100003&lng=es&nrm=iso

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http://www.simulart.cl/clientes_1.html

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http://www1.labvolt.com/publications/Datasheets/Current2/dse3674.pdf