MEMORIA DE RESULTADOS

DESARROLLO DE UN LABORATORIO DE SIMULACIÓN DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN SOBRE LA PLATAFORMA DEL AULA VIRTUAL

Juan Rodríguez Sevilla Manuel Álvarez Díaz Luisa Vera Peña

Noviembre, 2013

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ÍNDICE 1. Resumen del proyecto. 2. Asignaturas implicadas. 3. Profesorado. 4. Número de alumnos. 5. Recursos utilizados. 6. Centros y departamentos participantes. 7. Métodos de seguimiento y evaluación. 8. Resultados periódicos y finales. 9. Evidencias. 10. Incidencia en la adquisición de competencias en el alumnado. 11. Conclusiones del proyecto y valoración global de la innovación. 12. Publicaciones o perspectivas de las mismas. ANEXO. Guía de Usuario del laboratorio de simulación de “Operaciones de Separación”

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1. RESUMEN DEL PROYECTO. Los simuladores de procesos son programas informáticos ampliamente extendidos en la práctica profesional de la Ingeniería Química. Habitualmente, el uso académico de estos programas se limita al último curso de las enseñanzas. Sin embargo, son herramientas que pueden introducirse en cursos anteriores para que los estudiantes vean aplicaciones directas de los conceptos, métodos de cálculo y equipos industriales que se van desarrollando en la asignatura. Por ejemplo, Los simuladores permiten estudiar el efecto de determinadas variables sobre el funcionamiento o el diseño de un equipo, sin necesidad de repetir los cálculos, habitualmente largos, en cada caso. De esta manera, el estudiante puede tener una visión relativamente rápida de la complejidad de la operación que está estudiando y de las variables que influyen sobre su funcionamiento. En este proyecto se han elaborado materiales didácticos digitales (MDD) en formato de Objetos de Aprendizaje (OA) que conforman un laboratorio de simulación de operaciones de separación. Cada OA corresponderá a una práctica del laboratorio que comprende los siguientes aspectos generales: 1) Un artículo docente en formato digital donde se recogen los objetivos de la práctica, la metodología para realizarla, los ejercicios a realizar sobre el programa de simulación y el material a entregar por el estudiante para su evaluación. 2) La realización on line de los ejercicios propuestos. 3) La entrega y calificación del material de evaluación sobre la plataforma del aula virtual de la asignatura. Se han elaborado los siguientes OA: 1) Introducción al simulador UniSim ©Design. 2) Destilación instantánea. 3) Cascadas de etapas en destilación binaria. 4) Columnas de destilación binaria. 5) Columnas de destilación multicomponente. 6) Columnas de absorción y desorción. 7) Extracción líquido-líquido. Estas prácticas se han integrado durante el curso 2012/13 en los temas del aula virtual de las asignaturas. El artículo docente está disponible permanentemente en las aulas del entorno virtual de docencia institucional 2012/2013 (versión 2). La realización de los ejercicios sobre el simulador se ha realizado en las Aulas de Informática de la Facultad de Química, por los motivos 3

que a continuación se exponen. La entrega del material de evaluación se ha realizado a través del aula virtual en los plazos señalados al efecto. Además, se han realizado ejercicios presenciales de evaluación para comprobar las competencias adquiridas. Durante el curso 2012/13, el programa de simulación disponible es el UniSim© Design, versión R400, de la compañía Honeywell. El Departamento de Ingeniería Química dispone de una licencia académica para múltiples usuarios en red y está instalada en las mencionadas Aulas de Informática. Debido a los requisitos de seguridad informática de dichas Aulas y a los requisitos impuestos por el fabricante del software, el programa no es accesible desde el exterior al aula, por lo que para el desarrollo del proyecto los estudiantes sólo pueden acceder ha dicho programa desde las mencionadas Aula, que hacen las veces de laboratorio de simulación.

2. ASIGNATURAS IMPLICADAS. Las asignaturas en las que se han integrados estas prácticas han sido: 

“Operaciones de separación” (Ingeniero Químico, 4º curso): anual, 9 créditos teóricos.



“Operaciones de separación” (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3er curso): cuatrimestral, 6 créditos ECTS (3 teóricos y 3 prácticos)

3. PROFESORADO. Los profesores que han participado en el proyecto han sido: 

Juan Rodríguez Sevilla



Manuel Álvarez Díaz



Luisa Vera Peña

4. NÚMERO DE ALUMNOS. El número de alumnos matriculados en las asignaturas implicadas han sido: 

Operaciones de separación (Ingeniero Químico, 4º curso): 12 alumnos



Operaciones de separación (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3er curso): 24 alumnos

5. RECURSOS UTILIZADOS. Se han utilizado los siguientes recursos: 

Aulas del entorno virtual de docencia institucional 2012/2013 (Versión 2): 4

 





Operaciones de separación (Ingeniero Químico, 4º curso): Nº ID 320874340 Operaciones de separación (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3er curso): Nº ID 339413201 Software para el modelado de procesos UniSim © Design, versión R400 (Honeywell, 2010): licencia académica de red para 100 usuarios, instalada en las aulas de informática de la Facultad de Química. Aulas informáticas de la Facultad de Química.

6. CENTROS Y DEPARTAMENTOS IMPLICADOS. El profesorado que participa en el proyecto pertenece al Departamento de Ingeniería Química y Tecnología Farmacéutica. Las asignaturas donde se han integrado las actividades del proyecto son parte de los planes de estudios del título de “Ingeniero Químico”, impartido en la Facultad de Química, y del Grado en “Ingeniería Química Industrial”, impartido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial.

7. MÉTODOS DE SEGUIMIENTO Y EVALUACIÓN UTILIZADOS. El seguimiento de las diferentes actividades del proyecto se ha realzado contabilizando los siguientes parámetros: 

Número de registros de todas las acciones realizadas por el alumnado en las actividades del proyecto, incluidas en las aulas virtuales.



Número de alumnos que han participado en cada actividad del proyecto incluida en las aulas virtuales.

La evaluación de las actividades del alumnado y de la adquisición de competencias se han realizado mediante los siguientes procedimientos: 

Resolución, entrega y calificación de ejercicios contenidos en los diferentes objetos de aprendizaje, realizados de forma autónoma por el alumnado y depositados como tareas en el aula virtual en un plazo definido.



Resolución y calificación de ejercicios presenciales de evaluación, realizados en aula de informática, en fecha definida.

El peso de la evaluación de las actividades del proyecto, sobre la calificación final de la asignatura, era diferente en las dos asignaturas ensayadas y se adaptaba a los criterios establecidos en las guías docentes respectivas: 

Operaciones de separación (Ingeniero Químico, 4º curso): En esta asignatura anual de 9 créditos teóricos, la experiencia se realizó en el primer cuatrimestre (de septiembre a diciembre de 2012), por lo que la evaluación sólo tuvo efecto sobre el 50% de la nota final 5

de la asignatura. Los ejercicios (7) realizados autónomamente por el alumnado computaban dentro del global de tareas entregadas en el cuatrimestre (17). El peso de estas tareas era de un 30% sobre la calificación global del cuatrimestre, lo que supone que los ejercicios autónomos del proyecto representaban un 12% de la calificación del cuatrimestre. Los ejercicios presenciales (2) computaban un 33% dentro de los exámenes presenciales del cuatrimestre (2). El peso de estos exámenes era de un 70% sobre la calificación global del cuatrimestre, lo que supone que los ejercicios presenciales del proyecto representaban un 23% de la calificación del cuatrimestre. El peso final de todos los ejercicios planteados en el proyecto era del 35% sobre la calificación del primer cuatrimestre y de la mitad, un 17,5%, sobre la calificación final de la asignatura. 

Operaciones de separación (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3 er curso): En esta asignatura cuatrimestral de 6 créditos (3 teóricos y 3 prácticos), la experiencia se realizó en el segundo cuatrimestre (de febrero a mayo de 2013). Las actividades del proyecto se enmarcaron dentro de los créditos prácticos asignándole la mitad de ellos (1,5 ECTS). De acuerdo con la guía docente de la asignatura esto suponía un 25 % de la calificación final.

8. RESULTADOS PERIÓDICOS Y RESULTADOS FINALES. Los resultados de los métodos de seguimiento y evaluación se indican a continuación, para cada una de las asignaturas ensayadas.

1) Operaciones de separación (Ingeniero Químico, 4º curso): Período de septiembre a diciembre de 2012 a) Número de registros y participación en las actividades del aula virtual. La Figura 1 muestra los resultados de seguimiento de las diferentes actividades, medidos por el número de registros de todas las acciones realizadas por los estudiantes sobre el aula virtual y por el % de participación del alumnado en cada actividad. Los aspectos más relevantes de estos datos son:  Una caída de la actividad a lo largo del período, especialmente en la participación de los ejercicios autónomos. 

Una mayor participación en los ejercicios presenciales que en los autónomos.

Hay que señalar que esta asignatura corresponde a un plan de estudios en extinción, siendo el curso 2012/13 el último año que se impartió. El nº de alumnos matriculados en el aula virtual ha sido sólo de 12 estudiantes y la asistencia continuada a las clases presenciales fue reduciéndose paulatinamente. Más de la mitad de los estudiantes matriculados no asistían a las clases o lo hacía de forma muy esporádica. Este hecho puede explicar en parte, la caída de actividad a lo largo del periodo de ensayo del proyecto.

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Figura 1. Número de registros y % de participación del alumnado. Asignatura "Operaciones de Separación" (Ingeniero Químico 4º curso)

En cuanto a la mayor participación en los ejercicios presenciales, es lógica si se tiene en cuenta que estos ejercicios constituían un parte de los exámenes presenciales del cuatrimestre, a los que acudían más estudiantes. Los resultados globales de seguimiento pueden resumirse en los siguientes datos: 

Nº total de registros, R: 402



Nº de estudiantes, E: 12



Nº de actividades, A: 16



Registros por estudiante, R/E: 33,5



Registros por actividad, R/A: 25,1



Registros por estudiante y actividad, R/(E·A): 2,1

b) Calificaciones de ejercicios autónomos y presenciales. La Figura 2 muestra las calificaciones medias (sobre un máximo de 10 puntos) de cada uno de los ejercicios realizados, referidas al número de ejercicios presentados. En aquellos casos donde no se han presentado ejercicios, se ha asignado una calificación de 0. Los resultados no son muy significativos debido al bajo número de estudiantes que han participado (entre 2 y 5). Los resultados globales de calificación pueden resumirse en los siguientes datos: 1) Nº de ejercicios autónomos, A: 7 2) Nº de ejercicios presenciales, P: 2 7

3) Calificación media de ejercicios autónomos: 6,3 4) Calificación media de ejercicios presenciales: 5,1

Figura 2. Calificaciones medias de ejercicios autónomos y presenciales. Asignatura "Operaciones de Separación" (Ingeniero Químico, 4º curso)

2) Operaciones de separación (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3er curso): Período de febrero a mayo de 2013 a) Número de registros y participación en las actividades del aula virtual. La Figura 3 muestra los resultados de seguimiento de las diferentes actividades, medidos por el número de registros de todas las acciones realizadas por los estudiantes sobre el aula virtual y por el % de participación del alumnado en cada actividad. El aspecto más relevante es el de una participación alta y bastante constante a lo largo de todo el período, igual o superior al 75%, si se exceptúa la primera actividad que era de carácter introductorio. Los resultados globales de seguimiento pueden resumirse en los siguientes datos:  Nº total de registros, R: 1912  Nº de estudiantes, E: 24  Nº de actividades, A: 14  Registros por estudiante, R/E: 79,7  Registros por actividad, R/A: 136,6  Registros por estudiante y actividad, R/(E·A): 5,7

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Figura 3. Número de registros y % de participación del alumnado. Asignatura "Operaciones de er Separación" (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3 curso)

Estos datos corroboran la mayor participación del alumnado de esta asignatura con un número de acciones por estudiante y actividad de 5,7, frente al 2,1 registrado para la asignatura anterior. Las razones de esta mayor participación pueden ser las siguientes: 

Una asistencia numerosa y regular a las clases presenciales de la asignatura.



La incorporación de las actividades del proyecto como créditos prácticos curriculares (1,5 ECTS) de la asignatura, en vez de ser actividades equivalentes a trabajos o ejercicios a entregar por el alumnado.

b) Calificaciones de ejercicios autónomos y presenciales. La Figura 4 muestra las calificaciones medias (sobre un máximo de 10 puntos) de cada uno de los ejercicios realizados. En este caso, las medias incluyen a los estudiantes que no han presentado, a los que se les asigna un valor 0. Se excluyen de este cómputo los estudiantes desplazados a otras universidades con programas de movilidad (1), lo que hace un total de 23 estudiantes a efectos de calificación.

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Figura 4. Calificaciones medias de ejercicios autónomos y presenciales. Asignatura "Operaciones er de Separación" (Grado en Ingeniería Química Industrial, 3 curso)

Los resultados globales de calificación pueden resumirse en los siguientes datos:  Nº de alumnos: 23  Nº de ejercicios autónomos, A: 7  Nº de ejercicios presenciales, P: 1  Calificación media de ejercicios autónomos: 8,7  Calificación media del ejercicio presencial: 6,81  Calificación media global: 7,7 Se aprecian unos buenos resultados, con una calificación media global de NOTABLE (7,7). En esta calificación, el 50% corresponde a los ejercicios autónomos y el otro 50% al ejercicio presencial

9. EVIDENCIAS. Las evidencias del proyecto realizado están recogidas en: 1) Las aulas del entorno virtual de docencia institucional 2012/2013 (Versión 2), donde se re encuentran depositados los MDD elaborados y definidas las actividades a realizar. Asimismo, en el área “Informes” de cada aula pueden comprobarse los registros de las diferentes actividades del proyecto y el alumnado participante en cada una de ellas. También pueden encontrarse las calificaciones de cada una de las tareas. 10

2) La copia adjunta de la Guía de Usuario del laboratorio de simulación de operaciones de separación

10. INCIDENCIA EN LA ADQUISICIÓN DE COMPETENCIAS EN EL ALUMNADO: El proyecto ha tenido especial relevancia para que los estudiantes adquieran las siguientes competencias: 

Capacidad para resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico el campo de la Ingeniería Química Industrial.



Capacidad para trabajar en un entorno multilingüe..



Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos.

11. CONCLUSIONES DEL PROYECTO Y VALORACIÓN GLOBAL DE LA INNOVACIÓN Como conclusiones principales del proyecto caben señalar las siguientes: 

Se han elaborados materiales didácticos digital que conforman un laboratorio de prácticas de simulación de operaciones de separación



Se ha facilitado el aprendizaje autónomo y el trabajo continuo del estudiante.



Se ha observado una alta participación y buenos resultados académicos cuando la innovación se incluyó dentro de los créditos curriculares de la asignatura.



En este caso, hay una mejora significativa en el autoaprendizaje y en el trabajo continuo.

La valoración final del proyecto ha sido positiva y la metodología se incorporará como créditos prácticos curriculares en la asignatura “Operaciones de Separación” del Grado en Ingeniería Química Industrial, durante el curso 2013/2014.

12. PUBLICACIONES O PERSPECTIVAS DE LAS MISMAS QUE HA DADO LUGAR. Se publicará la Guía de Usuario donde se recogen los materiales didácticos digitales. Asimismo, es intención elaborar fragmentos de vídeo para incorporar los diferentes objetos de aprendizaje en el aula virtual de la asignatura.

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ANEXO

GUÍA DE USUARIO

LABORATORIO DE SIMULACIÓN DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN

Juan Rodríguez Sevilla Manuel Álvarez Díaz Luisa Vera Peña

Noviembre, 2013

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ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR DE PROCESOS UNISIM © DESIGN R400. 2. SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN “FLASH” O INSTANTÁNEA. 3. SIMULACIÓN DE CASCADAS DE ETAPAS EN DESTILACIÓN BINARIA. 4. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS. 5. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES. 6. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE ABSORCIÓN Y DESORCIÓN. 7. SIMULACIÓN DE OPERACIONES DE EXTRACCIÓN. 8. BIBLIOGRAFÍA

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1.

INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR DE PROCESOS UNISIM DESIGN R400.

1.1 1.2 1.3 1.4

Introducción. Aproximación general a la simulación con UNISIM/HYSYS. Ejemplo 1: Introducción de datos. Especificación de variables de una corriente de materia. Ejercicios a realizar.

1.1. Introducción. Los simuladores de procesos comerciales (ASPEN PLUS, CHEMCAD, UNISIM/HYSYS, PRO/II, etc.) incorporan potentes algoritmos de cálculo para resolver problemas de separaciones multicomponentes basadas en el concepto de etapa de equilibrio. Estos métodos permiten determinar de forma rigurosa temperaturas, presiones, flujos, composiciones e intercambios de calor en cada etapa de una cascada. Los procedimientos se basan en resolver simultáneamente en cada etapa el sistema de ecuaciones compuesto por: -

Los balances de materia (M) Las relaciones de equilibrio (E) Los sumatorios de fracciones molares (S) El balance de energía (H)

Estas ecuaciones, que habitualmente se denominan ecuaciones MESH, pueden resolverse siguiendo diferentes estrategias de cálculo. El texto de Seader (2006), en su capítulo 10, establece las bases de algunos de estos métodos. Todos ellos son aplicables no sólo a destilación sino también a la absorción, desorción o extracción multicomponentes. A continuación realizaremos una aproximación general a la simulación mediante UniSim/ HYSYS y aplicaremos el procedimiento a la introducción de datos y a la especificación de variables de una corriente de materia. En capítulos posteriores abordaremos la resolución de algunos ejercicios de operaciones de separación típicas (destilación, rectificación, absorción, extracción) o combinación de ellas.

1.2. Aproximación general a la simulación con UNISIM/HYSYS. UniSim, o HYSYS, es un programa que puede usarse para diseñar plantas químicas. Está construido en torno a:   

una librería de propiedades físicas de un gran número de especies químicas, un conjunto de subrutinas para estimar el comportamiento de muchos tipos de equipos de planta (cambiadores de calor, reactores, columnas de destilación, etc.), una interface de usuario gráfica para aceptar las especificaciones del caso y mostrar resultados.

El usuario describe el proceso en términos de piezas de equipo interconectadas por corrientes de proceso y el programa resuelve todas las ecuaciones de equilibrio/energía/masa, teniendo en cuenta los parámetros de diseño especificados para las unidades.

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Es un sistema muy complejo y no es posible en esta introducción mostrar todas sus características. Nos limitaremos a mostrar algunas de sus posibilidades para calcular y diseñar operaciones de separación. Como la mayoría de los programas de este tipo, las operaciones pueden ser realizadas de diferentes formas. Describiremos a continuación una de ellas, que consideramos la más sencilla para las personas que empiezan con el programa, pero en los menús de ayuda en línea (HELP) o en los manuales suministrados puede encontrar otros métodos.

Pistas para tener éxito en modelización. 1)

2) 3)

4)

Construya el modelo paso a paso. Algunas personas quieren instintivamente empezar añadiendo muchas corrientes y operaciones unitarias, y entonces intentan que todo ese conjunto funcione. Esto es inútil. Añada los elementos de uno en uno. Haga que uno funcione antes de pasar al siguiente. Guarde las versiones realizadas, no sólo la última. Si tiene algún problema, puede encontrar que es difícil restaurar el modelo a su estado previo. A menudo es mejor recuperar una versión anterior y actualizarla. Ponga nombres con sentido a todas las corrientes y unidades. La corrección y depuración de una simulación es difícil cuando se intenta recordar si la corriente S22 es el destilado o el residuo de una columna de destilación. Si una unidad no funciona aunque los parámetros parezcan razonables, inténtelo borrando la unidad y reconstruyéndola.

Etapas para desarrollar un modelo de un proceso químico. 1)

Seleccione el sistema de unidades con el que quiere trabajar.

2)

Seleccione los métodos termodinámicos que usará para predecir las propiedades físicas. La decisión debe basarse en el tipo de especies químicas implicadas.

3)

Especifique las especies químicas que estarán presentes en el proceso. En este punto puede necesitar información sobre la capacidad del método termodinámico seleccionado para manejar estos productos.

4)

Si el proceso implica reacciones químicas, suministre información tal como la estequiometria y las contantes cinéticas.

5)

Construya el modelo añadiendo corrientes y equipos de uno en uno.

6)

Si el proceso contiene lazos de recirculación, trate de cerrarlos.

7)

Use las utilidades de HYSYS para obtener información adicional, tal como el diseño mecánico de platos de columnas de destilación.

8)

Imprima un informe describiendo los resultados de la simulación.

Manuales de Referencia. Algunos de los manuales de referencia suministrados son los siguientes: 1)

UniSim® Design. User Guide. Constituye una introducción extensa al programa y sus diferentes opciones. Contiene indicaciones básicas de cómo utilizar los diferentes ambientes (“Environments”) del programa o cómo definir los diferentes objetos (corrientes, equipos y operaciones).

2)

UniSim® Design. Simulation Basis. Reference Guide. Es la guía de referencia para explorar el gestor de bases de la simulación (“Simulation Basis Manager”), donde se establecen los componentes, métodos termodinámicos, datos de reacciones químicas, etc. Por ejemplo, contiene información para la selección de métodos termodinámicos.

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3)

UniSim® Design. Operation Guide. Es la guía de referencia para tener información exhaustiva de todas las operaciones, herramientas y utilidades del programa. Por ejemplo puede encontrar información sobre cómo simular las diferentes operaciones, cómo trabajar con operaciones lógicas o cómo usar el optimizador multivariable de estado estacionario.

4)

UniSim® Design. Tutorials and Applications. Permite una aproximación al programa mediante la simulación de casos prácticos. La sección de “Tutorials” presenta diferentes sesiones en las que se elabora paso a paso una simulación completa de un caso práctico. La sección “Applications” contiene ejemplos en los que se muestran muchas de las características del programa. Incluyen aspectos de diseño conceptual, modelización en estado estacionario y optimización.

1.3. Ejemplo 1: Introducción de datos. Especificación de variables de una corriente de materia. Considere una corriente de materia con una mezcla de 50 kmol/h de benceno y 50 kmol/. Obtenga: a) b) c)

La presión de burbuja a 20ºC. Recuerde previamente el significado de este concepto. La temperatura de burbuja a 1atm. Recuerde previamente el significado de este concepto. Las propiedades de la mezcla a 20ºC y 1 at.

Utlice como método termodinámico la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK)

1.3.1. Introducción de datos para el modelo. Abra

UniSim:

Click sobre el icono “New Case”

y obtenga la ventana “Simulation Basis Manager”:

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a)

Unidades:

Usaremos el sistema por defecto (SI) por lo que no se requiere ninguna acción. Si quisiéramos usar diferentes unidades hay que accede al menú desplegable “Tools/Preferences/Variables”.

b)

Termodinámica.

Click sobre la pestaña “Fluid Pkgs”:

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“Fluid Package” es la terminología de UniSim para una colección de datos que incluyen todos los parámetros termodinámicos, de componentes y reacción requeridos para ejecutar el modelo. Es posible tener más de un paquete (“package”) en un modelo. Por ejemplo sería posible usar un modelo termodinámico para un reactor y otro para una columna de destilación. Nosotros usaremos sólo un paquete. Click sobre “Add” y desplácese hasta encontrar “SRK”. Esto selecciona el método de Soave-Redlich-Kwong, ecuación de estado muy popular:

Note que se asigna al paquete el nombre por defecto “Basis-1” List-1”.

c)

una

y nuestros componentes irán dentro de “Component

Componentes.

Cierre la ventana “Fluid Package” y click sobre la pestaña “Components” de la ventana del “Simulation Basis Manager”:

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Ahora, seleccione “Component List – 1”, click sobre “View” y entre “toluene” en el campo “Match”:

Click sobre “Add Pure” o pulse la tecla “intro”. Hagamos diferente el benceno. Seleccione la opción “Formule” en vez de “Full Name/Synonym” y entre “C6H6”:

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Tenemos ahora todos los componentes que necesitamos. Este sería un buen momento para salvar el caso. Cierre la ventana de componentes y pulse sobre el botón “Enter Simulation Environment” de la ventana “Simulation Basis Manager”. Haga la operación habitual “File/Save” y llame al fichero “ejemplo1_01”:

1.3.2. Construcción del Diagrama de Flujo de Proceso (PFD). Especificación de variables en una corriente de materia.

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Siempre salve el caso en este punto del desarrollo del modelo. Así, si deja de funcionar el modelo, siempre podrá volver a un caso válido. Tenemos ahora una pantalla en blanco sobre la que podemos comenzar a construir un PFD que definirá el proceso.

Mientras estemos trabajando sobre el PFD necesitaremos usar la paleta de operaciones unitarias. Si no está presente, vaya a “Flowsheet/Palette”. Note que hay dos iconos de corrientes en la paleta. El primero (azul) es una corriente de materia que va de una equipo a otro. El segundo (rojo) es una corriente de energía que mostrará la energía absorbida o cedida por el equipo. Esta información será útil para evaluar el coste de los servicios (vapor, electricidad, etc.) usados en el proceso.

Lo primero que queremos hacer es crear la corriente de materia. Doble click sobre materia para abrir una ventana de corriente vacía:

el icono flecha azul de corriente de

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Note que esto nos recuerda que las propiedades están siendo estimadas con el paquete “Basis-1”. Entre los siguientes datos:  

Stream Name = Alimentación Vapor / Phase Fraction = 0 (si queremos la alimentación como líquido saturado)

Para especificar la composición click sobre “Composition” en el lado izquierdo de la ventana. Seleccione “Edit” y en la ventana que se abre marque “Mole Flows”:

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Especifique:  Benzene = 50 kmol/h  Toluene = 50 kmol/h  Normalize  OK

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Vuelva a la ventana “Conditions”:

Note que UniSim ha calculado variables que no había especificado (en negro). De ahora en adelante sólo será posible cambiar los valores en azul, no los negros.

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Note también que la corriente no está completamente definida, ya que aparece una etiqueta amarilla con el texto “Unknown Temperature”; además en la ventana inferior aparece como información opcional, en el nombre de la corriente, que la temperatura y la presión son desconocidas y que la corriente no está resuelta. Si introdujéramos: 

Temperature [C] = 20

la etiqueta torna a color verde y el texto es “OK”, la corriente está completamente definida y desaparecen los mensajes de informacional opcional en la ventana inferior. Note que el programa ha calculado la presión 6,513 kPa, que es la presión de burbuja a esa temperatura (¿Qué significa?):

Si en lugar de la temperatura hubiésemos especificado la presión, p.e., 1 atm, introduciríamos: 

Pressure = 1

y desplegaríamos el submenú de unidades situado a la derecha de la casilla

hasta seleccionar “atm”

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El programa calcularía la temperatura 92,39ºC, que sería la temperatura de burbuja a esa presión (¿qué significa?). Si maximizamos la ventana de la corriente se observan resueltas (en negro) las columnas correspondientes a líquido y vapor saturados.

Si suprimimos la especificación de líquido saturado (Vapour/Phase Fraction = 0), habrá que especificar presión y temperatura para que la corriente esté completamente definida. Por ejemplo, introduciendo:  

Temperature = 20 ºC Pressure = 1 atm

Se obtiene:

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donde aparece resuelta sólo la columna correspondiente al líquido; esto indica que se trata de una corriente líquida subenfriada. Guarde la simulación como “ejemplo1_02”. Salga del programa.

1.4 Ejercicios a realizar. Ejercicio nº1 a)

b)

Para la misma mezcla obtenga:  La presión de rocío a 20ºC. Guarde la simulación como “ejercicio1_a”.  La temperatura de rocío a 1atm. Guarde la simulación como “ejercicio1_b”  Las propiedades de un vapor sobrecalentado. Seleccione una temperatura de sobrecalentamiento del vapor y guarde la simulación como “ejercicio1_c” Escriba un breve informe (1-2 páginas). Explique para la mezcla estudiada qué significan los conceptos de  Presión y temperatura de burbuja  Presión y temperatura de rocío.  Corriente de líquido subenfriado y de vapor sobrecalentado. Comente los resultados obtenidos. Realice el informe en un procesador de texto y guárdelo en formato de WORD o PDF como “ejercicio1_d”

c)

Suba a la plataforma del aula virtual los cuatro archivos en la tarea abierta para ello.

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2.

SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN “FLASH” O INSTANTÁNEA.

2.1 Objetivo. 2.2. Metodología. 2.3. Ejemplo: Destilación flash binaria 2.4 Ejercicios a realizar.

2.1. Objetivo. El propósito de este capítulo es familiarizarse con el simulador de procesos y explorar la destilación flash. Esto incluye trazar diagramas de flujo, especificar variables del proceso y utilizar herramientas para el cálculo de la operación.

2.2. Metodología. Trataremos la destilación binaria y multicomponente mediante ejemplos resueltos y ejercicios propuestos para ser entregados por los estudiantes. El estudiante debe estar familiarizado con los esquemas y cálculos de esta operación, vistos ya en clase. Como recordatorio, les mostramos un esquema donde aparecen las variables más importantes (flujos, composiciones, temperaturas, presiones y entalpías), las corrientes de materia y energía y los equipos básicos (bomba, calentador, válvula de expansión y cámara de destilación).

2.3. Ejemplo 2.1: Destilación flash binaria. Una mezcla de 50 kmol/h de benceno y 50 kmol/h de tolueno se somete a una destilación flash operando con una presión en el separador de 1 atm. Calcular: d) e) f)

La composición del líquido y del vapor que salen de la cámara flash en los casos en que se haya evaporado el 20% de la alimentación. La temperatura en el separador. La temperatura a la que debe calentarse la alimentación para conseguir la vaporización deseada.

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Utlice como método termodinámico la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK)

2.3.1. Introducción de datos para el modelo. Partiremos del ejemplo que explicamos en el capítulo 1, ya que es la misma mezcla. Abra Case” y abra el archivo del ejemplo anterior.

UniSim, pulse el icono “Open

2.3.2. Construcción del Diagrama de Flujo de Proceso (PFD)

Mientras estemos trabajando sobre el PFD necesitaremos usar la paleta de operaciones unitarias. Si no está presente, vaya a “Flowsheet/Palette” (o F4) Abra la ventana de la corriente “Alimentación” con doble click sobre ella. Como desconocemos la presión y temperatura a la que debe estar la alimentación antes de la válvula de expansión del “flash” suprimiremos estas especificaciones y consideraremos que antes de la válvula la alimentación es líquido saturado.

Guarde la simulación como “ejemplo2_01”.

a)

Válvula de expansión.

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En la paleta de unidades doble click sobre el icono “Valve”:

Haciendo doble click en la corriente “Entrada” corriente “Alimentación”:

podemos ver que ha tomado los valores de flujo y composición de la

Mensajes en rojo nos indican que debemos especificar las corrientes de alimentación (“Feed Stream”) y de producto (“Product Stream”). En el menú desplegable de “Inlet” seleccionamos “Alimentación”. En La casilla de “Outlet” escribimos el nombre de la corriente de materia de salida de la válvula, p.e. “Entrada”, y automáticamente se crea en la ventana del PFD dicha corriente. Como inicialmente no está especificada la caída de presión en la válvula, la dejamos como incógnita (Unknown Delta P). Cerramos la ventana de la válvula y guardamos como “ejemplo2_02”.

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Haciendo doble click en la corriente “Entrada” corriente “Alimentación”.

b)

podemos ver que ha tomado los valores de flujo y composición de la

Separador.

En la paleta de unidades doble click sobre el icono “Separator”:

Mensajes en rojo nos indican que debemos especificar las corrientes de entrada, de salida de vapor y de salida de líquido. Seleccionamos “Entrada” en “Inlets”, y escribimos los nombres de las nuevas corrientes de salidaen las casillas de “Vapour Outlet” (p.e. “Salida de Vapor”) y “Liquid Outlet” (p.e. “Salida de Líquido”). Como opción podemos añadir una corriente de energía, que no vamos a hacer pues consideramos flash adiabático.

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En la ventana inferior izquierda podemos ver como información opcional todas las incógnitas del sistema, los equipos y las corrientes no resueltas. Cerramos la ventana del separador y reordenamos los equipos de la ventana FPD arrastrándolos hasta obtener un diagrama ordenado del proceso:

haciendo click sobre ellos y

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Guardamos el caso como “ejemplo2_03”. Como vemos, las unidades VLV-100 (válvula) y V-100 (separador) están con un contorno amarillo, esto indica que no están resueltas. Es el momento ahora de introducir los datos que tenemos del ejercicio y ver si son suficientes para resolver el sistema o hay que tantear algunas variables. Tenemos los siguientes datos:  

Presión en el separador de 1 atm Evaporación del 20%

Intentemos introducir los datos en el orden en el que aparecen las incógnitas de la ventana inferior. Como el flash ocurre a 1 atm, consideraremos que esta es la presión de las corrientes de entrada, salida de vapor y salida de líquido. Además el flujo de vapor será de 20 kmol/h, ya que la vaporización es del 20%. Por tanto, haciendo doble click en las corrientes introduciremos los siguientes datos:

33

 

Entrada: Salida de Vapor:

Pressure = 1 atm Molar Flow = 20 kmol/h

Una vez introducidos estos datos, la etiqueta de la ventana de corriente torna a verde (OK) y el número de incógnitas y de unidades no resueltas disminuye drásticamente.

Si cerramos la ventana de la corriente vemos que ha desaparecido el borde amarillo del separador y las de entrada y salidas están en color más oscuro, esto indica que están resueltas y sólo quedan por resolver la alimentación y la válvula. Guardamos el archivo como “ejemplo2_04”. Note que el semáforo verde y rojo en la barra de herramientas superior está indicando verde.

34

En algunas ocasiones, cuando cometemos un error, el programa para los cálculos y activa el color rojo. Después de corregir el error, puede ser necesario pulsar la luz verde para que el programa funcione.

Si nos ponemos sobre el separador, una etiqueta nos indicará la temperatura del flash (93,61ºC). Si abrimos la corriente Salida de Vapor y vamos a “Composition”, ampliando la ventana veremos las composiciones de vapor y de líquido en equilibrio:

35

Para resolver totalmente el proceso podemos tantear alguna de las variables que permanecen todavía como incógnitas. Otra forma de introducir valores de las variables de corrientes y equipos y ver cómo se modifican los cálculos del simulador es abriendo el “Libro de Trabajo” o “Workbook”; para ello pulse el icono correspondiente en la barra de herramientas superior o vaya a “Tools/Workbook/View”.

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Por ejemplo, si introducimos en la corriente de “Alimentación”: Temperature = 150ºC vemos que el semáforo torna a rojo y aparece una ventana que nos indica que ha ocurrido un error de consistencia. Este error se produce cuando una variable en un PFD tiene dos valores diferentes y, en general, indica que la simulación está sobrespecificada.

37

En nuestro caso, leemos que la variable inconsistente es el “Molar Flow” de la Salida de Vapor; el separador ha calculado un nuevo valor (30,34 kmol/h) diferente al que nosotros hemos especificado (20 kmol/h). Esto quiere decir que la temperatura de la alimentación es demasiado alta y se evapora más entrada que la deseada. Cerremos la ventana de error y probemos con: Temperature = 140ºC Si activamos la luz verde del semáforo, vuelve a aparecer la misma ventana de error, pero ahora el valor calculado de la fracción de vapor en la corriente Entrada es 0,248, más próximo al deseado (0,20). Podemos introducir ahora una temperatura inferior pero, para evitar que se siga abriendo la ventana de error en sucesivos tanteos, vamos a eliminar la inconsistencia suprimiendo el valor de 20 kmol/h especificado en “salida de Vapor”.

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Activando el semáforo verde, vemos que el proceso queda resuelto: las corrientes en azul oscuro y los equipos sin contornos amarillos, no aparecen mensajes de error en la ventana inferior derecha. Guardamos la simulación como “ejemplo2_05”. El simulador ha alcanzado una solución al sistema de ecuaciones, aunque no se corresponde con las especificaciones iniciales del problema. Podemos ver que para una Alimentación a 140ºC el flujo de Vapor de Salida es 24,80 kmol/h, superior a la vaporización especificada (20%). Sin embargo, una vez alcanzada una solución para el diagrama de flujo, ahora podemos tantear en el “Workbook” la temperatura de alimentación que nos conduce a la solución deseada (20 kmol/h en el Vapor de Salida). Esta se obtiene para: Temperature = 131,15ºC

39

Guardamos la simulación como “ejemplo2_06”. El procedimiento puede automatizarse más mediante la función “Optimizer”.

2.3.3. “Optimizer” (Optimizador) Constituye una herramienta de optimización multivariable. Una vez que el diagrama de flujo se ha construido y se ha obtenido una solución convergente, puede usarse “Optimizer” para encontrar las condiciones de operación que maximizan o minimizan una función objetivo. El “Optimizer” crea su propia hoja de cálculo donde se define la función objetivo está sujeta.

así como las restricciones a las que

Se accede a esta herramienta a través de “Simulation/Optimizer” o F5. En la pestaña “Configuration” se selecciona el modelo de optimización (por defecto “Original”):

40

La pestaña “Variables” da acceso a la ventana donde se importan las variables primarias, que minimizan o maximizan la función objetivo. Cualquier variable de proceso que es modificable (especificada por el usuario) puede usarse como variable primaria. Las variables nuevas pueden añadirse mediante el Navegador de Variables al que se accede pulsando “Add”:

En nuestro caso, usaremos como variable primaria la temperatura de la alimentación:

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Todas las variables primarias deben suministrarse con unos límites inferior (“Low Bound”) y superior (“High Bound”) razonables y con un valor de partida (“Current Value”):

La pestaña “Functions” permite introducir la función objetivo en “Cell” y las restricciones en “Constraint Functions”:

42

Estas funciones se define en una hoja de cálculo específica para el optimizador a la que se accede pulsando “Spreadsheet”. En nuestro caso, importaremos la variable cuyo valor queremos calcular, el flujo molar de Salida de Vapor:

Para nuestro sencillo caso, basta con añadir en la pestaña “Spreadsheet”, p.e., en la celda contigua B1, el valor que deseamos para la función objetivo (20,00 kmol/h):

43

Esto es suficiente. Volvemos a la ventana “Optimizer”. Seleccionamos en el campo “Cell”, la celda de la hoja de cálculo donde se encuentra nuestra función objetivo (A1) y su valor actual aparecerá en el campo de debajo:

En el grupo “Constraint Functions” especificaremos los lados izquierdo (LHS) y derecho (RHS) de la función de restricción. En la columna “Cond” debemos especificar la relación entre la celda LHS y la celda RHS (LHS > RHS, LHS <

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RHS, LHS = RHS). En nuestro caso, deseamos que la variable de la celda A1 (LHS) sea igual al valor colocado en la celda B1 (RHS):

Pulsando “Start” comenzaremos el proceso de optimización.

Resulta:

El proceso está resuelto. Si volvemos a la ventana PFD, situándonos sobre las corrientes o los equipos podremos visualizar resultados. Guardamos la simulación como “ejemplo2_06”.

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2.3.4. Presentación de resultados sobre el PFD. Situándonos sobre diferentes objetos (corrientes/unidades), con click sobre botón derecho desplegamos un menú donde tenemos diferentes opciones para obtener los resultados (“View Properties” o “Show Table”). Seleccionando esta última podemos generar tablas con diferentes formatos.

Si deseamos resolver el proceso para un caudal de vaporización de 80 kmol/h, basta introducir este dato en “Optimizer Spreadsheet” y ejecutar “Optimizer” (F5 o “Simulation/Optimizer”, “Start”). Se obtiene en la ventana PFD los nuevos resultados:

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2.3.5. Generación de informes. Para generar informes escritos sobre la simulación realizada, vaya a “Tools/Reports” (o Ctrl+R), se abrirá la ventana “Report Manager”:

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Pulsando el botón “Create”, se abrirá la ventana “Report Builder” donde introduciremos el nombre del informe: 

“Report Name” :

Ejercicio 1

Pulsando el botón “Insert Datasheet” se abrirá la ventana “Select Datablocks for Datasheet”, donde seleccionaremos los bloques de datos de los diferentes objetos del procesos (corrientes, unidades, hojas de cálculo, etc.) que queremos que aparezcan en el informe. Podemos seleccionarlos por nombre del objeto (marcando “Pick a Specific Object by Name) o por tipo de objeto (marcando “Pick All Objects of a Given Type”):

Por ejemplo supongamos que queremos un informe con:  

Las condiciones de operación y composiciones de todas las corrientes de materia. Las condiciones de operación de las unidades VLV-100 y V-100.

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Marcaremos primero “Pick All Objects of a Given Type”, seleccionaremos “Material Streams” y, en el espacio Available Datablocks” marcaremos en “Worksheet” las opciones “Conditions” y “Composition”. Pulsaremos el botón “Add”

Marcamos ahora la opción “Pick a Specific Object by Name”, seleccionamos V-100, marcamos en “Worksheet” la opción “Conditions” y pulsamos “Add”. Hacemos lo mismo para la unidad V-100:

Para finalizar la selección de bloques de datos pulsamos el botón “Done”. Tendremos en la ventana “Report Builder – Ejercicio 1” todas las hojas de datos seleccionadas:

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En esta ventana podremos editar o borrar hojas de datos. Pulsando el botón “Preview” obtendremos una vsita preliminar del informe generado

2.3.6. Otras variantes. Podemos modificar el diagrama de flujo incorporando un intercambiador de calor y una bomba para llevar la alimentación desde condiciones ambientales (p.e., 20ºC y 1 atm) hasta las condiciones requeridas para el flash. Introduciremos, entonces, los siguientes objetos:     

Cambiador de calor (“Heater”, E-100) Bomba (“Pump”, P-100) Corriente materia Entrada de Bomba Corriente materia Bomba-Cambiador (Entrada de Cambiador) Corriente energía del Cambiador (Duty)

Podemos obtener:

Donde se ha modificado algunas opciones gráficas de la siguiente forma: 



En “Tools/Preferences/Resources/Colours”: o Poner “PFD Background” en blanco o Poner “PFD Label Text” en negro o Poner “PFD Annotation” en negro o Poner “PFD Table” en negro. En “Tools/Preferences/Simulation/Options”: o En “General Options”: Desactivar “Enable Cross Hairs On PFD”

2.4. Ejercicios a realizar.

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Simule la destilación instantánea de las mezclas que se consideran en los ejercicios siguientes. En cada caso, escriba un breve informe (1-2 páginas) con los resultados y conclusiones obtenidas. Suba a la plataforma del aula virtual los archivos en las tareas abiertas para ello.

Ejercicio 2.1. Considere una mezcla líquida de etanol y agua con 25% en moles de alcohol, procedente de un proceso que se desarrolla a 15 atm, se somete a una destilación flash descomprimiéndola hasta 1 atm. Se desea que la fase vapor resultante contenga 50% en moles de etanol. Calcular: a) Las cantidades obtenidas de vapor y líquido. b) La temperatura a la que debe introducirse la alimentación. c) Discutir el efecto que tendría un aumento de la temperatura de la alimentación en 20ºC. Considere el método NRTL para el cálculo de propiedades.

Ejercicio 2.2. Una mezcla de 33% molar de n-hexano, 37% molar de n-heptano y 30% molar de n-octano se somete a una destilación flash a 1,2 atm. Se desea vaporizar el 60% de la alimentación. Calcule: a) b) c)

Las temperaturas de burbuja y de rocío de la mezcla. La temperatura de destilación flash y la composición de los productos de líquido y vapor. La temperatura a la que debe calentarse la alimentación para conseguir la vaporización del 60%.

Aplique los procedimientos visto para “flash” binario a esta mezcla de tres componentes. Considere la ecuación de estado SRK para el cálculo de propiedades.

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3.

SIMULACIÓN DE CASCADAS DE ETAPAS EN DESTILACIÓN BINARIA. 3.1 Objetivo. 3.2. Metodología. 3.3. Ejemplo: Cascada de destilación flash binaria 3.4 Ejercicios a realizar.

3.1. Objetivo. El propósito de este capítulo es simular diferentes tipos de cascadas de etapas de destilación flash, con objeto de mejorar la separación de una mezcla binaria. Esto incluye trazar los diagramas de flujo, especificar variables del proceso y utilizar herramientas para el cálculo de la operación.

3.2. Metodología. Trataremos las cascadas de etapas de destilación binaria mediante ejemplos resueltos y ejercicios propuestos para ser entregados por los estudiantes. El estudiante debe estar familiarizado con los esquemas vistos ya en clase y con los cálculos de destilación flash del capítulo anterior. Como recordatorio, les mostramos algunos esquemas de cascadas de etapas de destilación.

(a)

(b)

Figura 3.1. Cascada de etapas de destilación flash con presión variable. (a) Cascada simple; (b) Cascada con recirculación de corrientes intermedias

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(a)

(b)

Figura 3.2. Cascada de etapas de destilación flash a presión constante y temperaturas variables. (a) Cascada con condensadores y rehervidores parciales entre etapas; (b) Cascada con reflujo, rehervido e intercambiadores de calor entre corrientes intermedias.

3.3. Ejemplo 3.1: Cascada de destilación flash binaria. Considere una mezcla de 50 kmol/h de benceno y 50 kmol/h de tolueno. Someta la mezcla a diferentes cascadas de 3 etapas de destilación flash con alimentación por la última etapa: g) h)

Cascada simple de presión variable con vaporización aproximada del 50% en cada etapa (Figura 3.1.a) Cascada de presión variable con recirculación de las corrientes intermedias (Figura 3.1.b)

Utilice como método termodinámico la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK)

3.3.1. Introducción de datos para el modelo. Partiremos del ejemplo que explicamos en el capítulo 2, ya que es la misma mezcla. Abra Case” y abra el archivo del ejemplo anterior.

UniSim, pulse el icono “Open

3.3.2. Cascada simple. Construcción del FPD.

53

Mientras estemos trabajando sobre el PFD necesitaremos usar la paleta de operaciones unitarias. Si no está presente, vaya a “Flowsheet/Palette” (o F4).

a)

Etapa de alimentación (n=3)

Denominemos ahora los objetos: Entrada= F3 Líquido=L3

;

V-100=ETP-3

;

Salida

Vapor=V3 ;

Salida

Guardemos la simulación como “ejemplo3_01”.

b)

Compresor.

54

Conectaremos ahora la corriente V3 a un compresor. En la paleta de unidades doble click sobre el icono “Compressor”:

Denominemos la unidad (K-103) y asignemos las corrientes de materia y energía:

Asignaremos ahora a la corriente VC3 una presión (p.e. 1,2 atm). Lo podemos hacer abriendo la ventana de la corriente o desde el “Workbook”. Vemos que el diagrama queda resuelto:

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Guardamos como “ejemplo3_02” y analicemos los datos. c)

Enfriador.

La corriente VC3 sigue siendo vapor, no hay condensado, por lo que si la llevamos a un separador no se producirán 2 fases. Podemos aumentar la presión o enfriar. Optamos por lo segundo, es más barato y la temperatura se mantendrá más próxima a la de la etapa 3. Añadimos, por tanto un enfriador (“cooler”):

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Asignamos nombres, corrientes y una caída de presión nula (Delta P=0) en “Parameters”. Abrimos el “Workbook” y damos valores de temperatura a la corriente F2 hasta que se produzca una fracción de vapor de aproximadamente 0,50:

El diagrama queda resuelto y guardamos como “ejemplo3_03”

57

d)

Etapas siguientes

(n=2, n=1).

Añadimos un nuevo separador (ETP-2) y repetimos el procedimiento seguido en los apartados anteriores. Guardamos como “ejemplo3_04”. Añadimos el último separador (ETP-1) y guardamos como “ejemplo3_05”:

Pulsando las pestañas “Compositions” y “Energy Streams” obtenemos composiciones de las corrientes y requerimientos energéticos.

58

La corriente V1 tendrá una composición en benceno de 0,791 y un flujo de 12,40 kmol/h.

3.3.3

Cascada con recirculación. Construcción del PFD.

Partimos de PFD anterior. Recircularemos la corriente L1 como alimentación adicional de la etapa 2 (ETP-2) y la corriente L2 como alimentación adicional de la etapa 3 (ETP-3). a)

Recirculación de corrientes.

Para mejorar la convergencia y estabilizar los cálculos, al recircular corrientes de materia debe introducirse en el PFD la operación lógica “Recycle”, que puede seleccionarse en la paleta mediante el siguiente icono:

Esta operación permite resolver lazos de recirculación de forma estable y segura. Constituye un bloque teórico de cálculo, donde la corriente de entrada se considera la corriente calculada y la de salida, la corriente supuesta. Durante el proceso de convergencia, UNISIM usa las condiciones de la corriente supuesta y resuelve el diagrama de flujo hasta la corriente calculada. Compara entonces los valores entre ambas corrientes y, basándose en la diferencia entre estos valores, modifica los de la corriente calculada y asigna los mismos a la corriente supuesta. El proceso de cálculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se ajustan a los de la corriente supuesta dentro de la tolerancia especificada.

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La corriente de salida REC-L1 se introduce como alimentación adicional en el separador ETP-2:

60

Fíjese que no es necesario interponer una válvula entre la corriente REC-L1, que está a 1,4 atm, y el separador ETP-2, que está a 1,2 atm. El propio separador calcula el flash de despresurización de esta alimentación adicional. No obstante si se desea se puede añadir dicha válvula. Repetimos la operación con la corriente L2, recirculándola al separador ETP-3. Guardamos como “ejemplo3-06”. En el “Workbook” deberá tantear de nuevo las temperaturas de F2 y F1 para que se mantenga aproximadamente una vaporización aproximada del 50% en cada una de ellas. Podemos observar ahora que la corriente de producto V1 aumenta un poco (13,29 kmol/h frente a 12,40) pero la composición en benceno se incrementa (84,5% frente a 79,1%). La corriente L3 es la única salida líquida de la cascada, es un poco menor (86,82 kmol/h) que la suma de (L1+L2+L3) sin recirculación (87,61 kmol) así como su composición en benceno (44,7%) en relación a la composición media de la suma (L1+L2+L3) sin recirculación (45,9%).

61

A continuación se muestra el mismo PFD pero incorporando las válvulas de despresurización en las corrientes de recirculado líquido. Se obtienen prácticamente los mismos resultados.

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3.4. Ejercicios a realizar. Simule la cascada de destilación instantánea que se considera en el ejercicio siguiente. Escriba un breve informe (1-2 páginas) con los resultados y conclusiones obtenidas. Suba a la plataforma del aula virtual los archivos en las tareas abiertas para ello.

Ejercicio 3.1. Considere una mezcla líquida de etanol y agua con 25% en moles de alcohol, procedente de un proceso que se desarrolla a 15 atm. La mezcla se alimenta a una cascada de 3 etapas de destilación flash, con presión variable y recirculación de las corrientes intermedias. Explore y discuta diferentes alternativas, aprovechando la alta presión de la alimentación. Considere en cada etapa una vaporización de aproximadamente el 50%. Use el método NRTL para el cálculo de propiedades.

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4. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS. 4.1 Objetivo. 4.2 Metodología. 4.3. Ejemplo 1: Simulación aproximada (“short-cut”) de una columna de destilación binaria. 4.4. Ejemplo 2: Simulación rigurosa. Eficiencias 4.5 Ejemplo 3: Corrientes laterales. 4.6. Ejercicios a realizar. ANEXO: La herramienta “Case Study” (Estudio de casos o estudio paramétrico). Aplicación al ejemplo 1.

4.1 Objetivo. El propósito de este capítulo es simular en estado estacionario la destilación de mezclas binarias mediante columnas de etapas con reflujo. Para ello usaremos dos procedimientos: 

La simulación aproximada mediante la operación Short Cut Distillation, que permite una primera estimación para columnas simples de los flujos internos de vapor y de líquido, los requerimientos energéticos, el número de etapas de equilibrio y la posición óptima de la alimentación.  La simulación rigurosa mediante la operación Distillation Column, que permite obtener resultados más realistas y detallados (p.e. perfiles de flujos, presiones, temperaturas y composiciones a lo largo de la columna) o incorporar numerosas opciones y variantes (eficiencias de etapa, alimentaciones múltiples, extracciones laterales, etc.). En cada caso trazaremos los diagramas de flujo, especificaremos variables del proceso y utilizaremos herramientas para el cálculo de la operación y la presentación de resultados.

4.2 Metodología. Trataremos las columnas de destilación binaria con reflujo mediante ejemplos resueltos y ejercicios propuestos para ser entregados por los estudiantes. El estudiante debe estar familiarizado con los conceptos, esquemas y métodos de cálculo vistos ya en clase. Recuerde conceptos tales como:      

Relación de reflujo externa y relación de reflujo mínima Número mínimo de etapas de equilibrio Condensador total y parcial Reflujo total Alimentaciones múltiples, corrientes laterales Eficiencia de etapa

Como recordatorio, les mostramos en la Figura 4.1 la terminología usada en una columna simple de destilación binaria. Los procedimientos de cálculo que usan las operaciones que vamos a simular son métodos desarrollados para destilación multicomponente. Algunos conceptos que aparecen se explicarán en clase en el tema “Introducción a la Destilación Multicomponente”. Entre ellos:  

Componentes clave ligero y clave pesado Ecuaciones de Fenske-Underwood-Gilliland

Figura 4.1. Esquema de una torre de destilación binaria continua donde una mezcla de alimentación de dos componentes se separa en dos fracciones: un destilado, rico en el componente más volátil, y un fondo, rico en el componente menos volátil.

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4.3 Ejemplo 1: Simulación aproximada (“short-cut”) de una columna de destilación binaria Se ha de proyectar una columna, que opera a 1 atm, para el fraccionamiento continuo de 15.000 kg/h de una mezcla de 40% molar de benceno y 60% de tolueno, en un producto conteniendo 97% molar de benceno y un residuo con 98% molar de tolueno. La alimentación entra en la columna como líquido a su temperatura de ebullición y se usará una relación de reflujo 1,5 veces la mínima. Determine el número de pisos teóricos y el piso de alimentación.

4.3.1

Introducción.

La operación Short-Cut Distillation utiliza el método de Fenske-Underwood-Gilliland para realizar cálculos aproximados en columnas simples con reflujo. El procedimiento usa la ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de etapas teóricas y la ecuación de Underwood para calcular el reflujo mínimo. A partir de estos datos, especificando la relación de reflujo, se obtiene el número de etapas de equilibrio, por la correlación de Gilliland, y la posición óptima de la alimentación, por la ecuación de Kirkbridge. También se calculan los flujos de vapor y líquido en las secciones de enriquecimiento y agotamiento, así como los requerimientos energéticos en el condensador y en el rehervidor. Este procedimiento es sólo una estimación del funcionamiento de la columna y está restringido a destilaciones con reflujo simples. Suministrar resultados preliminares en este tipo de columnas. Para obtener resultados más realistas debe usarse la operación Distillation Column.

4.3.2 Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes (benceno, tolueno) y el método termodinámico (SRK).

4.3.3 Diagrama de flujo de proceso (PFD). En la ventana PFD, seleccione en la paleta (F5) los siguientes objetos:  “Short-Cut Distillation” :

 Corrientes de materia: Alimentación, Destilado y Residuo.  Corrientes de energía: Condensador y Rehervidor. Denomine las corrientes e introduzca los datos conocidos (condiciones, composiciones). Abra la ventana de la columna T-100. En la pestaña “Design/Connections” asigne las corrientes de materia y energía:  MATERIA (Azul): “Inlet”= Alimentación ; “Distillate” = Destilado ; “Bottoms” = Residuo  ENERGÍA: “Condenser Duty” = Condensador ; “Reboiler Duty” = Rehervidor

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En “Design/Parameters” introduzca:  En “Components”, el componente clave ligero del residuo (“Light Key in Bottoms”), o componente más volátil que va a estar presente en el residuo, y su composición (en nuestro caso, el benceno con una composición 2% molar). Haga lo mismo para el componente clave pesado del destilado (“Heavy Key in Distillate”), o componente menos volátil que va a estar presente en el destilado (en nuestro caso, el tolueno con una composición 3% molar).  En “Pressures”, las presiones del condensador y del rehervidor (en nuestro caso, consideraremos la misma -1 atm- y supondremos inicialmente que no hay caída de presión en la torre; después, en función del nº de pisos obtenidos podremos reajustar estos valores).  En “Reflux Ratios” podremos leer ahora la relación de reflujo mínima calculada por el programa (1,692); en nuestro introduciremos en “External Reflux Ratio” el valor 2,535 (1,5 veces la mínima) El indicador de la ventana T-100 torna a verde y el proceso queda calculado:

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En la pestaña “Performance” podemos ver los resultados obtenidos:

Los resultados pueden mostrarse también sobre la ventana “PFD”, personalizando las tablas de corrientes y equipo:

El número de etapas de equilibrio, incluyendo el rehervidor, será 15,74 y la etapa óptima para la alimentación será la 8ª, empezando por la cabeza de torre.

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4.4 Ejemplo 2: Simulación rigurosa de una columna de destilación binaria. Eficiencias. Se ha de proyectar una columna, que opera a 1 atm, para el fraccionamiento continuo de 15.000 kg/h de una mezcla de 40% molar de benceno y 60% de tolueno, en un producto conteniendo 97% molar de benceno y un residuo con 98% molar de tolueno. La alimentación entra en la columna como líquido a su temperatura de ebullición y se usará una relación de reflujo 1,5 veces la mínima. Determine el número de pisos teóricos y el piso de alimentación. Considere inicialmente un NET de 16 con alimentación en la 8ª etapa (resultados del ejemplo anterior). Obtenga la composición de las corrientes de destilado y residuo, así como los requerimientos energéticos en el condensador y rehervidor. Estudie el efecto de considerar una eficiencia del 70% en todas las etapas del interior de la torre.

4.4.1

Introducción.

Las columnas de fraccionamiento multietapa, tales como unidades de destilación de crudo, desmetanizadoras, torres de destilación extractiva, son las operaciones unitarias más complejas que UniSim puede simular. Dependiendo del sistema, cada una de estas torres consiste en una serie etapas flash de equilibrio o no equilibrio. El vapor que abandona cada etapa asciende a la etapa superior y el líquido desciende a la etapa inferior. Una etapa puede tener un o más corrientes de alimentación, los productos líquido o vapor pueden extraerse de ella y pueden calentarse o enfriarse mediante un intercambiador lateral. Un ejemplo puede verse en la Figura 4.2 Las torres más complejas pueden tener pump-arounds, en las que el líquido retirado de una etapa se devuelve a una etapa superior. También pueden usarse pequeñas torres auxiliares, llamadas side strippers, para purificar productos líquidos laterales. A excepción de la torres de destilación de crudo, muy pocas columnas tienen todas estas variantes, pero virtualmente puede simularse cualquier tipo de columna con la combinación apropiada de opciones. La operación Distillation Column permite simular todas las diferentes aplicaciones de fraccionamiento. UniSim es capaz de manejar complejas torres de crudo, columnas criogénicas, sistemas de absorción a alta presión, columnas de destilación azeotrópica altamente no ideales, etc.. No hay límites programados para el número de componentes y etapas.

Figura 4.2. Esquema de una torre de fraccionamiento continua que separa la mezcla de una corriente de alimentación en cuatro fracciones de destilado y una fracción de fondo.

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4.4.2 Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes (benceno, tolueno) y el método termodinámico (SRK). 4.4.3 Diagrama de flujo de proceso (PFD). En la ventana PFD, seleccione en la paleta (F5) los siguientes objetos:  “Distillation Column” :

 Corrientes de materia: Alimentación, Destilado y Residuo.  Corrientes de energía: Condensador y Rehervidor. Denomine las corrientes e introduzca los datos conocidos (condiciones, composiciones). Abra la ventana “Distillation Column Input Expert” con doble click sobre el icono “Distillation Column” T-100. En “Connections (page 1 of 4)” indique el tipo de condensador (parcial, total o reflujo completo), asigne las corrientes de materia, energía, número de etapas y etapa de alimentación:  “Condenser” = Total  “Condenser Energy Stream” = Condensador  “Ovhd Liquid Outlet” = Destilado  “#Stages” n = 15 (el rehervidor es la etapa n+1)  “Inlet Streams”: “Stream” = Alimentación “Inlet Stage” = 8  “Reboiler Energy Stream” = Rehervidor  “Bottoms Liquid Outlet” = Residuo

Pulse “Next” y accederemos a “Pressure Profile (page 2 of 4), donde podemos especificar el perfil de presiones. En nuestro caso consideraremos presiones en condensador y rehervidor iguales a 1 atm.

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Pulsando “Next” accederemos a “Optional Estimates (page 3 of 4)”, que nos permite introducir estimaciones iniciales de temperaturas en el condensador, etapa superior y rehervidor. En nuestro caso no introduciremos ninguna.

Pulsando de nuevo “Next” accederemos a “Specificactions (page 4 of 4)”: Aquí debemos introducir el flujo de destilado y la relación de reflujo; asignaremos los valores del ejercicio anterior:  “Liquid Rate” = 69,34 kmol/h  “Reflux Ratio” = 2,538

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Tenemos opción a acceder aquí a especificaciones de corrientes laterales (“Side Ops”) o a dar por terminada la entrada de datos, pulsando “Done”. Aparece la ventana “Column:T-100/COL1” y un mensaje en rojo “Unconverged”.

Pulsamos el botón “Run” y aparece un mensaje de error de consistencia. La simulación está sobreespecificada y la columna ha calculado otro valor de la fracción molar de destilado (0,9691) distinto al especificado (0,97):

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Cerrando esta ventana, observamos que el mensaje del la ventana “Column” ha tornado a verde, indicando “Converged”. Sin embargo en la ventana “PFD” las corrientes de destilado y residuo no están todavía resueltas (en azul claro). Eliminamos las especificaciones de composición del destilado y residuo, pulsamos de nuevo “Run” en la ventana “Column” y la simulación queda resuelta. Se observan pequeñas diferencias respecto a los resultados obtenidos en el ejemplo anterior.

4.4.4

Perfiles a lo largo de la torre.

Si pulsamos sobre la columna, en la pestaña “Performance” podemos seleccionar la opción perfiles de flujos, Temperatura y composición a lo largo de la columna.

“Plots” para mostrar los

72

En el perfil de flujos molares puede apreciarse la constancia de los flujos de vapor y líquido en cada sección y el incremento del flujo de líquido en la sección de agotamiento, al incorporarse la alimentación en la etapa 8ª como líquido saturado. En todos los perfiles la etapa 0 corresponde a la salida del condensador salida del rehervidor (corriente de

(corriente de destilado) y la etapa 16 a la

fondo)

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74

4.4.5

Eficiencias

Para introducir eficiencias de etapa debemos pulsar sobre la columna, ir a la pestaña “Parameters” y seleccionar la opción “Efficiencies”. Esto permite introducir en cada etapa su eficiencia. Si asignamos 0,70 a todas ellas se puede observar un menor grado de separación en la torre.

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Aumente el número de etapas hasta obtener la separación deseada. No olvide introducir la eficiencia de las nuevas etapas añadidas. Tantee luego la posición de la alimentación hasta conseguir la mayor separación. Note que la relación (Etapa óptima alimentación)/(nº total etapas) es aproximadamente constante. Reduzca el nº de etapas, manteniendo la proporción para la etapa de alimentación, y observe la separación. Con n=22 y alimentación en la 11ª etapa obtenemos la mejor separación que verifica las especificaciones, con el menor número de etapas.

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77

4.5 Ejemplo 3: Corrientes laterales. Una torre de etapas rectifica continuamente a la presión atmosférica dos mezclas de etanol y agua de composiciones 30% y 10% molar de alcohol, respectivamente. Los alimentos entran a la columna como líquidos con un subenfriamiento de 10ºC respecto a sus temperaturas de ebullición. El 20% de los moles totales alimentados se obtiene como destilado de composición 80% molar de alcohol. Además, se desea extraer una corriente lateral de líquido saturado de composición 60% molar de alcohol; la composición del residuo de fondo debe ser inferior igual o al 3% molar de alcohol. Se utiliza un condensador total. La relación de reflujo L/D es 4 y la columna está suficientemente aislada de forma que se puede considerar adiabática. Se desea saber: a) b) c) Use el modelo

Caudales, en kmol/h, de residuo y de corriente lateral extraída por 100 kmol/h de cada alimentación. Número de etapas teóricas que debe tener la columna. Situación de las etapas de alimentación y de la corriente lateral.

NRTL como método para calcular las propiedades de los fluidos.

4.5.1 Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes (etanol, agua) y el método termodinámico (NRTL). 4.5.2 Diagrama de flujo de proceso (PFD). En la ventana PFD, seleccione en la paleta (F5) los siguientes objetos:  Corrientes de materia: Alimentación-30, Alimentación-10, Destilado-80, Destilado-60 y Fondo.  Corrientes de energía: Condensador y Rehervidor. Denomine las corrientes e introduzca los datos conocidos (condiciones, flujos, composiciones). Para obtener las temperaturas de las alimentaciones debe obtener primero sus temperaturas de ebullición o burbuja y restar 10ºC a estas temperaturas. Las temperaturas de burbuja puede calcularlas introduciendo inicialmente en las corrientes de alimentación la fracción de vapor (”Vapour/Phase Fraction” = 0), la presión (“Pressure”=1 atm) y las composiciones; resultan 81,50ºC para la alimentación más concentrada y 86,35ºC para la menos concentrada. Vuelva a las ventanas de las respectivas corrientes, elimine el dato de fracción de vapor e introduzca las temperaturas de las corrientes (71,50ºC y 76,35ºC, respectivamente.) Puede obtener datos preliminares aplicando “Short-Cut Distillation” para diferentes combinaciones de una corriente de alimentación, una de destilado y una de fondo.

Elimine datos de entrada si aparecen errores de sobrespecificación del sistema. Algunos datos preliminares serían:   

Para Para Para

Alimentación-30, Destilado-80: N=5; NF=2ª Alimentación-10, Destilado-80: N=6; NF=3ª Alimentación-30, Destilado-60: N=4; NF=2ª

Por tanto una configuración de partida para el cálculo riguroso con “Distillation Column”

sería:

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N=6; NF1=3ª; NF2=4ª; NS=2ª Abra la ventana “Distillation Column Input Expert” con doble click sobre el icono “Distillation Column” T-100. En “Connections (page 1 of 4)” indique el tipo de condensador (parcial, total o reflujo completo), asigne las corrientes de materia, energía, número de etapas y etapa de alimentación:  “Condenser” = Total  “Condenser Energy Stream” = Condensador  “Ovhd Liquid Outlet” = Destilado-80  “#Stages” n = 6 (el rehervidor es la etapa n+1)  “Inlet Streams”: “Stream” = Alimentación-30 “Inlet Stage” =3 “Stream” = Alimentación-10 “Inlet Stage” = 4  “Optional Side Draws”: “Stream” = Destilado-60 “Inlet Stage” =2  “Reboiler Energy Stream” = Rehervidor  “Bottoms Liquid Outlet” = Fondo

En las ventanas siguientes selecciones opciones por defecto o introduzca presiones en condensador (1 atm) y rehervidor (1 atm), relación de reflujo (4), flujo líquido de salida de cabeza (40 kmol/h, 20% de los 200 kmol/h alimentados). Confirme los datos introducidos (pulsando “Done”) y ejecute la simulación (“Run”). Puede que le salga el mensaje que le indica que faltan especificaciones en la columna:

Pulse “Aceptar” y aparecerá una ventana donde le sugiere la especificación que puede introducir:

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Esto es, flujo molar de la corriente lateral “Destilado-60” (“Destilado-60 Rate”). Para dar un valor, puede hacer manualmente los balances de materia en toda la columna:

F1  F2  D1  D2  B 100  100  40  D2  B F1 z1  F2 z 2  D1 x D1  D2 x D 2  Bx B 30  10  32  D2  0 ,60  B  0.03 D2  5 ,60 kmol / h B  154 ,4 kmol / h

Pueden aparecer errores de sobrespecificación. Por ejemplo, la que se refiere a la fracción molar de etanol en el destilado de cabeza. Para eliminar este error debemos suprimir la especificación de la composición en la corriente “Destilado-80”. Puede aparecer el mismo error para la corriente de “Destilado-60”.

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Una vez alcanzada una solución hay que verificar si se cumplen las especificaciones requeridas. En nuestro caso

podemos ver que no se alcanzan las composiciones de destilados y fondo requeridas, por lo que habrá que mejorar la separación aumentando el número de etapas, actuando sobre la situación de las etapas de las alimentaciones y de la extracción lateral o aumentando la relación de reflujo. Inicialmente, hay que comprobar si la posición de las corrientes laterales (extracción y alimentaciones) es óptima. Un indicador puede ser los perfiles de temperatura y composición (ir a la pestaña “Performance” opción “Plots”). Puede apreciarse que las líneas no tienen una curvatura suave, lo que es indicio de cambios bruscos de temperatura o composición por efecto de las corrientes laterales. Si bajamos una etapa todas estas corrientes (3ª, 4ª y 5ª, respectivamente), obtendremos unos perfiles más regulares pero, aún así, no cumpliremos especificaciones. Podemos proceder a aumentar el número de etapas a 7 y las posiciones de las corrientes laterales a las etapas 4ª (extracción), 5ª (primera alimentación) y 6ª (segunda alimentación). Podremos observar que se mejora la separación y nos acercamos a especificaciones, pero sin verificarlas exactamente. Aumentemos el número de etapas a 8, con las corrientes laterales en la 5ª, 6ª y 7ª etapas, respectivamente. Conseguimos cumplir especificaciones en cabeza y fondo, pero la extracción lateral da un producto con el 58,3% de etanol. Si esta composición es aceptable, la simulación estaría

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completa. Si no, habría que situar la extracción en la etapa superior (4ª). En este caso se obtendría un corriente con el 66% de etanol.

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83

4.6 Ejercicio 4: Calefacción con vapor directo Se desea separar una mezcla formada por 35% moles de etanol y 65% moles de agua, en un destilado que contenga 80% moles de alcohol y un residuo que lleve 5% moles de etanol. Como medio de calefacción se usará vapor de agua saturado directo introducido bajo el piso del fondo, a razón de 0,5 kmol de vapor por kmol de alimento. Se usará un condensador total y una relación de reflujo 75% superior a la mínima. El alimento entrará en la columna parcialmente vaporizado formando una mezcla de 75 kmol de líquido y 25 kmol de vapor. La columna operará a la presión atmosférica. Determinar: a) Producción horaria de destilado y residuo por cada 100 kmol de alimento. c) Número de etapas teóricas y posición del plato de alimentación. Use el modelo

NRTL como método para calcular las propiedades de los fluidos.

4.6.1 Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes (etanol, agua) y el método termodinámico (NRTL).

4.6.2 Diagrama de flujo de proceso (PFD). Puede obtener datos preliminares aplicando “Short-Cut Distillation” para una destilación convencional que satisfaga las especificaciones de los productos de destilado y fondo..

Elimine datos de entrada si aparecen errores de sobrespecificación del sistema. Algunos datos preliminares serían: (L/D)min=1,25; (L/D)=2,19; D=35,29 kmol/h; N=8; NF=4ª Seleccione en la paleta el objeto “Refluxed Absorber”:

Se trata de una columna con condensador pero sin rehervidor. Defina o seleccione corrientes de materia y energía, condensador total, n=8, alimentación en la 4ª etapa y denomine una corriente “vapor saturado” como entrada en la etapa del fondo (“Bottom Stage Inlet”):

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En la siguientes páginas (pulsar “Next”) especifique las presiones en condensador (1 atm) y fondo (1 atm), relación de reflujo externa (2,19) y flujo de destilado (35,29 kmol/h). Complete ahora las especificaciones de la corriente

de alimentación (F) y la de vapor saturado (agua pura):

85

El sistema queda resuelto pero no se verifican las especificaciones de destilado y fondo:

Podemos examinar los perfiles de concentraci aumentar el número de etapas

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4.7 Ejercicios a realizar. Simule las columnas de destilación que se consideran en los ejercicios siguientes. Escriba un breve informe (1-2 páginas) con los resultados y conclusiones obtenidas. Suba a la plataforma del aula virtual los archivos en las tareas abiertas para ello.

Ejercicio 4.1. (Wankat, 2007: Separation Process Engineering, p. 159) Separe 1,1-dicloroetano de 1,1,2-tricloroetano. La alimentación es 100 kmol/h de 60% dicloroetano. La operación es a 1,0 atm. La columna tiene un condensador total y un rehervidor exterior. Puede usar Peng-Robinson como método termodinámico. Esté seguro que elige bien los componentes. Tenga en cuenta que no debe usar el 1,1,1-tricloroetano, ya que tiene propiedades muy diferentes. Al menos guarde en archivos diferentes la simulación de cada apartado. a)

La alimentación es vapor saturado y queremos un producto destilado con un 92% molar de dicloretano y un fondo con un 8% molar. Use una relación de reflujo de 2,0.  Obtenga mediante el método “short-cut” la relación de reflujo mínima, el número mínimo de etapas, el número de etapas de equilibrio y la posición óptima de la alimentación.  Compruebe los flujos de destilado y fondo realizando a mano los balances de materia externos en toda la columna.  Estudie el efecto de la relación de reflujo externa sobre el número de etapas y el consumo energético del rehervidor.

Ejercicio 3.2. (Wankat, 2007: Separation Process Engineering, p. 159) b)

Aplique la simulación rigurosa de “Distillation Column” al caso anterior.  Compruebe si se verifican las especificaciones de los productos destilado y fondo.  Tantee el número de etapas y la posición de la alimentación, hasta conseguir el menor número de etapas que satisface las especificaciones. Mantenga la relación de reflujo en 2,0. Note que como la relación (Etapa óptima alimentación)/(nº total etapas) es aproximadamente constante, probablemente necesitará probar sólo 3 o 4 etapas de alimentación por cada nuevo valor del número de etapas.  Obtenga los valores K de equilibrio y calcule la volatilidad relativa en cabeza, alimentación y fondo, para ver como varía. Puede leer los valores K en “ Worksheet/K Value” de cada corriente. Si no obtiene datos en el PFD general, entre en el PFD específico de la columna, pulsando en su ventana la opción “Column Environment…”

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c)

Triplique la presión y repita el relativa.

apartado b). Determine el efecto de una presión superior sobre la volatilidad

d)

Vuelva a p=1 atm y al caso del apartado b). Incremente ahora la temperatura de la alimentación en vez de especificar una fracción de vapor de 1. ¿Qué ocurre?

e)

Vuelva al caso de apartado b). Determine la relación de rehervido (“boilup ratio” =VN+1/B). Para ello vaya al PFD de”Column Environment…”.

f)

Especifique ahora ese valor del “boilup ratio” en lugar del flujo de destilado (“Distillate Rate”). Para ello regrese al PFD principal pulsando “Enter Parent Simulation Environment”. En la pestaña “Design” seleccione especificaciones (“Specs”) y pulse el botón “Add” y seleccione en la ventana emergente “Column Reboil Ratio Spec”.

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Active la nueva especificación y desactive “Distillate Rate”, para ello vaya a la opción “Monitor” o “Specs Summary”, marque la nueva especificación y desmarque la antigua. Introduzca el valor calculado como valor de especificación.

Comience a disminuir el “boilup ratio” en la simulación. ¿Qué ocurre?

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g)

Vuelva a la simulación del apartado d). Especifique L/D=2, “boilup ratio”, N y etapa de alimentación. Incremente la temperatura de alimentación y vea qué sucede.

h)

Vuelva a la simulación del apartado b) con objeto de conseguir un destilado 99% dicloroetano y un fondo 2% dicloroetano. Calcule a mano los balances de materia externos en toda la columna y determine la especificación de flujo de destilado. Intente encontrar N y la etapa de alimentación que permita alcanzar esta separación con L/D=2. Note que esta separación no sería posible porque la relación de reflujo externa (L/D) es demasiado baja. Vea qué ocurre si aumenta L/D (intente 4 y 8).

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ANEXO: La herramienta “Case Study” (Estudio de casos o estudio paramétrico). Aplicación al ejemplo 1. Es una herramienta que permite monitorizar la respuesta de variables de proceso claves ante cambios en el proceso estacionario. Por ejemplo podemos monitorizar lo que le ocurre al número de etapas de equilibrio y al consumo energético del rehervidor ante cambios en la relación de reflujo externa. Es una herramienta del tipo “¿qué pasa si…?”; apliquémosla al ejemplo 1. Se accede a través de “Tools/Databook”. Al abrir esta ventana iremos a la pestaña “Variables” e insertaremos las variables que queremos estudiar:

Click sobre “Insert Object And Variables Groups” y se abrirá el “Multivariable Navigator”. En “Short Cut Columns” seleccionamos “”T-100” y en la lista adyacente: “External Reflux”, “Reboiler Duty” y “ Actual Trays”.

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Al pulsar “Accept” estas variables se trasladan al Databook. Abrimos ahora la pestaña “Case Studies”, pulsamos “Add” y marcamos como variable independiente “External Reflux” y como variables dependientes “Actual Trays” y “Reboiler Duty”. Pulsamos “View”:

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Se abre la ventana “Case Studies Setup” donde debemos indicar los límites inferior (“Low Bound”), superior (“High Bound”) y el intervalo de variación (“Step Size”). Introducimos:  Low Bound =1,75  High Bound=4,0  Step Size =0,25

Pulsamos “Start” y “Results” y veremos de forma gráfica la dependencia del número de etapas de equilibrio y del consumo energético del rehervidor con la relación de reflujo externa:

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Marcando “Table” o “Transpose Table” se obtienen los resultados en forma de tablas y pulsando “Setup” pueden modificarse los parámetros del estudio. Puede observarse que el número de etapas desciende primero muy rápidamente con la relación de reflujo, para luego hacerlo de forma más suave. Sin embargo el consumo energético aumenta casi linealmente con la relación de reflujo. Esto indica que debe haber un óptimo económico en torno 2,5-3, a partir del cual el descenso de costes por disminuir en número de etapas no compensa en aumento de costes por el incremento del consumo energético.

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5. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES. 5.1 Objetivo. 5.2 Metodología. 5.3 Ejemplo 1: Simulación aproximada (“short-cut”) de una columna de destilación multicomponente. 5.4 Ejemplo 2: Simulación rigurosa. 5.5 Ejercicios a realizar.

5.1 Objetivo. El propósito de este capítulo es simular en estado estacionario la destilación de mezclas multicomponentes mediante columnas de etapas con reflujo. Para ello usaremos los dos procedimientos que ya vimos en la destilación binaria: 

Simulación aproximada mediante la operación Short Cut Distillation, que permite una primera estimación para columnas simples de los flujos internos de vapor y de líquido, los requerimientos energéticos, el número de etapas de equilibrio y la posición óptima de la alimentación.  Simulación rigurosa mediante la operación Distillation Column, que permite obtener resultados más realistas y detallados (p.e. perfiles de flujos, presiones, temperaturas y composiciones a lo largo de la columna) o incorporar numerosas opciones y variantes (eficiencias de etapa, alimentaciones múltiples, extracciones laterales, etc.). En cada caso trazaremos los diagramas de flujo, especificaremos variables del proceso y utilizaremos herramientas para el cálculo de la operación y la presentación de resultados.

5.2. Metodología. Trataremos las columnas de destilación multicomponente con reflujo mediante ejemplos resueltos y ejercicios propuestos para ser entregados por los estudiantes. El estudiante debe estar familiarizado con los conceptos, esquemas y métodos de cálculo vistos ya en clase. Recuerde conceptos tales como:         

Relación de reflujo externa y relación de reflujo mínima Número mínimo de etapas de equilibrio Condensador total y parcial Reflujo total Alimentaciones múltiples, corrientes laterales Eficiencia de etapa Componentes clave ligero (CL) y clave pesado (CP) Componentes no claves: no calves ligeros (NCL), no claves pesados (NCP) e interclaves (IC) Ecuaciones de Fenske-Underwood-Gilliland.

Como recordatorio, les mostramos en la Figura 5.1 un ejemplo de columna de destilación multicomponente con 3 fracciones de destilados y una fracción de fondo.

Figura 5.1. Esquema de una torre de destilación multicomponente continua donde una mezcla de alimentación se separa en cuatro fracciones

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5.3. Ejemplo 1: Simulación aproximada (“short-cut”) de una columna de destilación multicomponente. Una mezcla de composición molar 5% de propano, 15% de i-butano, 25% de n-butano, 20% de i-pentano y 35% de n-pentano, ha de fraccionarse en un producto destilado que contenga el 92,4% del n-butano alimentado y en un producto de fondo que contenga el 82,1% del i-pentano alimentado. Considere una temperatura de condensación mínima de 50ºC, correspondiente al uso de agua como refrigerante, y una relación de reflujo 2 veces la mínima. Realice una estimación del número de etapas teóricas requeridas y de la posición de la etapa de alimentación. Obtenga también la distribución y concentración de cada componente en las corrientes de destilado y residuo. Use la ecuación SRK como método termodinámico.

5.3.1 Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes y el método termodinámico (SRK).

5.3.2 Diagrama de flujo de proceso (PFD). En la ventana PFD, seleccione en la paleta (F5) los siguientes objetos: 

“Short-Cut Distillation” :

 Corrientes de materia: Alimentación, Destilado y Residuo.  Corrientes de energía: Condensador y Rehervidor. Denomine las corrientes e introduzca los datos conocidos (condiciones, composiciones). Defina los componentes clave ligero (n-butano) y clave pesado (isopentano) Para estimar las presiones de la columna es necesario calcular la presión de burbuja del destilado a 50ºC. Introduzca una estimación preliminar de la distribución de componentes en el destilado basado en la definición de componentes claves y las especificaciones iniciales.

zFi

fi kmol/h

di kmol/h

bi kmol/h

xDi

xBi

C3

0,05

5

5

-

5/46,68=0,107

-

i-C4

0,15

15

15

-

15/46,68=0,321

-

n-C4

0,25

25

0,924.25=23,10

25-23,10= 1,90

23,1/46,68=0,495

1,9/53,32=0,036

i-C5

0,20

20

20-16,42= 3,58

0,821.20=16,42

3,58/46,68=0,077

16,42/53,32=0,308

n-C5

0,35

35

-

35

-

35/53,32=0,656

Total

1,00

100

46,68

53,32

1,000

1,000

En la corriente de destilado introduzca:  “Vapor Phase / Fraction” = 0

96

 

“Temperature” = 50ºC “Composition”: “Propane” = 5 kmol/h “i-Butane” = 15 kmol/h “n-Butane” = 23,10 kmol/h “i-Pentane” = 3,58 kmol/h “n-Penatne” = 0 kmol/h Se obtiene una presión de 652,9 kPa:

Se puede añadir una caída de presión de 15 kPa para el condesador y de 35 kPa en toda la columna. Esto hace una presión de 703 kPa en el rehervidor. Para la alimentación puede considerarse una presión intermedia de 678 kPa. Introduzca este dato en la ventana de la corriente de alimentación. Abra la ventana de la columna T-100. En la pestaña “Design/Connections” asigne las corrientes de materia y energía. I Introduzca en “Design/Parameters”, los componentes claves, una primera estimación de sus composiciones en residuo y destilado y la presión en el rehervidor. Cierre el mensaje de error de consistencia, si aparece. En la ventana aparece calculada la relación de reflujo mínima (0,862).

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. Introduzca la relación del reflujo especificada (2x0,862=1,724). Active el semáforo verde si es necesario. Aparece un error de consistencia para el flujo molar de destilado.

Suprima la especificación de los flujos de componentes de la corriente de destilado y confirme Puede también eliminar la especificación de 50ºC.

la presión de 653 kPa.

El problema queda resuelto. Genere las tablas para mostrar los resultados.

98

Se puede observar que se cumple la especificación de n-butano en el destilado (se obtiene más 23,10 kmol/h) pero no la de i-pentano en el fondo (se obtiene menos de 16,42 kmol/h). Para que salga más i-pentano por el fondo habrá que especificar en la columna una composición de i-pentano en el destilado menor (por ejemplo, 0,072). Los resultados cambian ligeramente:

99

5.4 Ejemplo 2: Simulación rigurosa. Una mezcla de composición molar 5% de propano, 15% de i-butano, 25% de n-butano, 20% de i-pentano y 35% de n-pentano, ha de fraccionarse en un producto destilado que contenga el 92,4% del n-butano alimentado y en un producto de fondo que contenga el 82,1% del i-pentano alimentado. Considere una temperatura de condensación mínima de 50ºC, correspondiente al uso de agua como refrigerante, y un NET de 10 con alimentación en la 4ª etapa (resultados del ejercicio anterior). Obtenga la distribución y concentración de cada componente en las corrientes de destilado y residuo, así como los requerimientos energéticos en el condensador y rehervidor. Puede usar los datos obtenidos en el ejercicio anterior como base de partida. Para ello, copie sobre el mismo PFD las corrientes de materia (alimentación, destilado y residuo) y de energía (condensador, rehervidor). Seleccione “Distillation Column” en la paleta e introduzca los datos y estimaciones iniciales, tal como hicimos en el caso binario. Normalmente, si se parte de los datos “short-cut” la convergencia es rápida. Puede que haya que reajustar la presión de la corriente de alimentación. Consulte la presión de cada etapa en la ventana “Column”, pestaña “Parameters”, opción

“Profiles”. El resultado obtenido corresponde a usar la misma relación de reflujo que en el “short-cut”. Podemos comprobar que en este caso la solución aproximada es muy similar a la solución rigurosa. En lugar de esto podemos especificar las recuperaciones de componentes claves en el destilado y en el fondo. Para ello, acceda al menú de especificaciones en la pestaña “Design” opción “Specs”, pulse “Add” y añada en la ventana que se abre los datos de la nueva especificación.

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Ahora, en la opción “Specs Summary” o en “Monitor” debe desactivar las especificaciones “Reflux Ratio” y “Distillate Rate” y activar las “Comp Recovery”.

Puede comprobar que los resultados de la simulación cambian ligeramente, ya que para satisfacer estas nuevas especificaciones es necesaria una relación de reflujo diferente (1,81). Un aspecto interesante en destilación multicomponente son los perfiles a lo largo de la torre.

101

Podemos observar una evolución bastante regular de las fracciones molares; conforme se desciende en la columna disminuyen de forma continua las fracciones de componentes más ligeros (propano, i-butano y n-butano) y aumentan las de los más pesados (i-pentano, n-pentano). En el caso del i-pentano, se aprecia un máximo en la etapa 9. Esto es típico de la destilación multicomponente y puede explicarse si se tiene en cuenta qué componentes se destilan preferentemente en cada parte de la torre. En el rehervidor (n=10) queda ya poco de n-butano (clave ligero, CL) y la destilación es entre el i-pentano (CP) y el n-pentano (NCP). La fracción de CP se incrementa al subir a la etapa 9 porque es más volátil que el NCP. Este efecto puede apreciarse mejor cuando se produce una separación más acusada de los componentes. Por ejemplo, especifiquemos una recuperación del 99% de los dos componentes claves y n=24 (25 etapas de equilibrio). Obtendremos los siguientes perfiles:

102

Examinemos los perfiles por tramos empezando por el rehervidor:  





De n=25 (rehervidor) a n=20: tenemos preferentemente una mezcla binaria del CP (i-pentano) y el NCP (n-pentano); al ascender en la columna aumenta la concentración del CP (i-pentano), más volátil. De n=20 a n=15: tenemos preferentemente una mezcla ternaria del CL (n-butano) , CP(i-pentano) y el NCP (n-pentano); al ascender destila el CL, más volátil, aumentando su concentración y disminuyen las fracciones de CP y NCP. De n=15 a n=4: tenemos preferentemente una mezcla cuaternaria de un NCL (i-butano), CL(n-butano), CP (i-pentano) y NCP (n-pentano), al ir ascendiendo destilan los dos más volátiles, NCL y el CL, y sigue disminuyendo la concentración de los dos más pesados; CP y NCP. En la etapa 4 prácticamente las fracciones de CP y NCP son muy bajas. De n=4 a n=0 (condensador): tenemos preferentemente una mezcla ternaria de los dos NCL (propano, i-butano) y del CL (n-butano). Al acercarnos al condensador destilan los NCL, más volátiles, y el CL, menos volátil, disminuye su concentración.

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5.5 Ejercicios a resolver. Simule las columnas de destilación que se consideran en los ejercicios siguientes. Escriba un breve informe (1-2 páginas) con los resultados y conclusiones obtenidas. Suba a la plataforma del aula virtual los archivos en las tareas abiertas para ello. Ejercicio 5.1. (Wankat, 2007: Separation Process Engineering, p. 200) Considere una alimentación formada por 20 kmol/h de n-butano, 30 kmol/h de n-pentano, y 50 kmol de n-hexano. Use una alimentación como vapor saturado a 1 bar. Inicialmente tome 1 bar como presión en toda la columna. a)

Seleccione un método adecuado para el ELV y compruebe la predicción del equilibrio. Por ejemplo compare los valores K de la corriente con los que se obtiene de la gráfica de DePriester.

Para esta separación será más que suficiente una torre con 40 etapas de equilibrio, alimentación en la etapa 20 y L/D=3. b)

c)

d) e)

f)

Ajuste las especificaciones de la columna para que el butano y el pentano salgan por cabeza de torre y el hexano por el fondo. Esto puede hacerse dando D o B, que pueden calcularse a partir del balance de materia externo considerando una separación total de del hexano respecto a la mezcla butano-pentano (es decir, recuperación de todo el butano y pentano en el destilado y de todo el hexano en el fondo). Note cómo cambian las composiciones y temperaturas del destilado y del fondo. Obtenga las cargas de calor en el condensador y en el rehervidor. Cambie las especificaciones para que el butano salga por cabeza y el pentano y hexano por el fondo (cambie D o B para hacer esto). Bajo estas condiciones probablemente no obtenga convergencia. Cambie la alimentación a líquido saturado, reinicialice (“reset”) y ejecute la simulación otra vez (“run”). Pruebe un corte intermedio en el que el butano sale por cabeza, el hexano por el fondo y el pentano se reparte entre las dos corrientes (Cambie D o B) Vuelva al caso (c). Encuentre el número de etapas de equilibrio y la posición óptima de la alimentación si queremos que la fracción molar de butano en el fondo sea menor de 0,001 y la de pentano en el destilado menor de 0,001. Fíjese en las temperaturas del condensador y del rehervidor (“Performance/Column Profiles”). La temperatura del condensador es tan baja que requiere refrigeración. Esto es caro. Para evitarlo, aumente la presión de la columna hasta que la temperatura del condensador sea suficientemente alta como para poder usar agua de refrigeración para la condensación (p.e. 49ªC, 120ºF). Cambiar la presión cambia el ELV. Compruebe si todavía tiene la separación deseada. Si no, encuentre los nuevos valores para el nº de etapas y la alimentación óptima. Asegúrese que también aumenta la presión de la alimentación de forma que sea igual o superior a la de la columna.

Ejercicio 5.2. (OPCIONAL)

(Wankat, 2007: Separation Process Engineering, p. 200)

Pruebe un sistema químico más complicado tal como la mezcla metanol-etanol-agua a 1 atm (Use NRTL para el ELV). Tenga en cuenta el azeótropo en la mezcla etanol-agua. Intente una destilación con este sistema.

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6. SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE ABSORCIÓN Y DESORCIÓN. 6.1 Objetivo. 6.2 Metodología. 6.3 Ejemplo 1: Absorción y desorción 6.4 Ejemplo 2: Recirculación del disolvente. 6.5 Ejercicios a realizar.

6.1 Objetivo. El propósito de este capítulo es simular de manera combinada la absorción y desorción y cómo diferentes variables afectan a la operación en estado estacionario. En cada caso trazaremos los diagramas de flujo, especificaremos variables del proceso y utilizaremos herramientas para el cálculo de la operación y la presentación de resultados.

8.2. Metodología. Trataremos las columnas de absorción y desorción mediante ejemplos resueltos y ejercicios propuestos para ser entregados por los estudiantes. Consideraremos estas operaciones como procesos por etapas de equilibrio. El estudiante debe estar familiarizado con los conceptos, esquemas y métodos de cálculo vistos ya en clase. Como recordatorio, les mostramos en la Figura 6.1 un esquema de planta de tratamiento de gases que combina absorción, desorción con rehervidor y recirculación del disolvente. .

Figura 6.1. Esquema de una planta de tratamiento de gases que combina absorción y desorción (stripping), con recirculación de disolvente.

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8.3. Ejemplo 1. (Wankat, 2007; pp. 422-423) Deseamos separar acetona de su mezcla con aire mediante absorción con agua. El gas de entrada tiene un flujo de 100 kmol/h con un 3% molar en acetona. La especificación requerida es un contenido en acetona en el gas de salida inferior al 0,3% molar. 1) Obtenga las concentraciones de salida y los flujos para las siguientes condiciones:  Presión en la columna y en las corrientes de alimentación: 1 atm  Temperatura del gas de entrada: 30ºC  Temperatura del agua de entrada: 20ºC  Flujo de agua de entrada: 200 kmol/h  Nº de etapas de equilibrio: 6 2) Compruebe el efecto de las siguientes variantes:  Reducir a la mitad el absorbente (agua de alimentación) (L=100 kmol/h)  Doblar el número de etapas (N=12) con L=100  Volver a N=6 y L=100. Reducir la temperatura de las alimentaciones de agua y gas a 10ºC  Volver a las temperaturas iniciales de gas (30ºC) y de agua (20ºC). Aumentar la presión en las alimentaciones y en la columna a 3 atm. Ajustar L hasta cumplir especificaciones. 3) Desorción. Mediante una columna similar, operando a 1 atm, provoque la desorción de la acetona de la corriente líquida que sale del absorbedor. Precaliente el líquido que entra a la columna hasta condiciones de líquido saturado. La especificación requerida es un contenido en acetona en el líquido inferior al 0,01% molar. Use vapor de agua a 1 atm como agente desorbente. Ajuste el flujo de vapor hasta conseguir la especificación deseada. Pruebe luego a reducir la presión de la columna y del vapor a 0,5 bar.

8.3.1. Datos del modelo. En la ventana “Simulation Basis Manager”, introduzca los componentes (aire, acetona, agua) y el método termodinámico (UNICUAQ con SRK para la fase vapor).

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8.3.2. Diagrama de flujo de proceso (PFD) para la absorción. En la ventana PFD, seleccione en la paleta (F4) los siguientes objetos:  Corrientes de materia: Gas de Entrada, Agua de Entrada, Gas de Salida, Líquido de Salida.  “Absorber” :

Denomine las corrientes e introduzca los datos conocidos (condiciones, composiciones). Abra la ventana “Absorber Column Input Expert” con doble click sobre el icono “Absorber” T-100. En “Connections (page 1 of 3), asigne las corrientes de materia y el número de etapas (n=6):

Pulse “Next” y accederemos a “Pressure Profile (page 2 of 3)”, donde podemos especificar el perfil de presiones. En nuestro caso consideraremos presiones en el tope (“Top Stage Pressure”) y en el fondo (“Bottom Stage Pressure”) iguales a 1 atm. Pulsando “Next” otra vez accederemos a “Optional Estimates (page 3 of 3)”, que nos permite introducir estimaciones iniciales de temperaturas en el tope y en el fondo. Esta opción puede ser útil porque mejora la convergencia del cálculo; podemos introducir 25ºC en ambos casos. Tenemos opción a acceder aquí a especificaciones de corrientes laterales (“Side Ops”) o a dar por terminada la entrada de datos, pulsando “Done”. Aparece la ventana “Column:T-100/COL1” y un mensaje en rojo “Unconverged”.

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Pulsamos el botón “Run” y el mensaje torna a verde, indicando “Converged”. condiciones y composición de las corrientes.

Generamos tablas en el PFD para indicar

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Podemos observar que no se cumple la especificación para el gas de salida ya que contiene más del 0,3% molar en acetona (concretamente, 0,83%). Podemos apreciar también cómo la simulación calcula, las variaciones de temperatura de las corrientes, el contenido en agua del gas de salida (2,61% molar) y el aire disuelto en el líquido de salida (0,02% molar). Ensayamos las variantes propuestas en el enunciado del ejercicio:  Reducir a la mitad el agua de alimentación (L=100 kmol/h): Obviamente, empeora bruscamente la separación (1,53% molar de acetona en el gas de salida)  Doblar el número de etapas (n=12) con L=100: En este acso puede ser necesario reintroducir la presión en el fondo de la torre. Se observa poco efecto (1,46% molar de acetona en el gas de salida)  Volver a N=6 y L=100. Reducir la temperatura de las alimentaciones de agua y gas a 10ºC: Podemos usar el “Workbook” para cambiar estos datos. Se aprecia cierta mejora pero la separación es peor que en el caso inicial (1,11% molar de acetona en el gas de salida)  Volver a las temperaturas iniciales de gas (30ºC) y de agua (20ºC). Aumentar la presión en las alimentaciones y en la columna a 3 atm. Ajustar L hasta cumplir especificaciones. Vemos que con L=100, se consigue mejora la separación respecto al caso inicial (0,55% molar de acetona en el gas de salida), pero aún no se cumple la especificación. Variando el flujo de agua de entrada en el “Workbook”, podemos ajustarlo hasta cumplir el requisito. Vemos que esto se consigue para 122 kmol/h.

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En conclusión, podemos ver que las variables más determinantes en este proceso de absorción son la presión, la temperatura y el flujo de absorbente (agua).

6.3.3.

Diagrama de flujo de proceso (PFD) para absorción-desorción.

Desorción. Mediante una columna similar, operando a 1 atm, provoque la desorción de la acetona de la corriente líquida que sale del absorbedor. Precaliente el líquido que entra a la columna hasta condiciones de líquido saturado. La especificación requerida es un contenido en acetona en el líquido inferior al 0,01% molar. Use vapor de agua a 1 atm como agente desorbente. Ajuste el flujo de vapor hasta conseguir la especificación deseada. Pruebe luego a reducir la presión de la columna y del vapor a 0,5 bar.

Insertaremos en el diagrama de flujo una columna “Absorber”, similar a la anterior, para la desorción de la acetona del líquido mediante una corriente de vapor de agua. Previamente situaremos un calentador (“Heater”) para llevar el líquido a condiciones de saturación:

Nombramos la corriente de salida del calentador (“Líquido a Stripper”) y asignamos en “Parameters” una caída de presión (“Delta_P”) igual 0. Introducimos la condición de líquido saturado en la corriente de salida y la simulación debe quedar resuelta hasta ese punto.:

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La corriente líquida de salida del calentador está a 3 atm y la columna de desorción opera a 1 atm. Podemos intercalar un botellón flash, o bien considerar que el flash se produce en el interior de la propia columna. Optaremos por esto último e insertamos en el PFD el objeto “Absorber” con n=6. Denominamos las nuevas corrientes, asignamos presión de 1 atm en toda la columna y, como estimación inicial de temperaturas, 100ºC en cabeza y fondo; esto mejorará la convergencia de la simulación.

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Sólo resta introducir las especificaciones del vapor de agua que entra a la columna. Consideraremos inicialmente 20 kmol/h de vapor de agua puro, saturado a 1 atm. Vemos que la simulación queda completada y se verifica la especificación para la fracción molar de acetona en el agua recuperada (