simulaciÓn en ingenierÍa quÍmica

SIMULACIÓN EN INGENIERÍA

QUÍMICA

Dr. Edgar Omar Castrejón González

[email protected]

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO en Celaya

Contenido

1. Simulación de Procesos

1. Flashes

2. Análisis de sensibilidad

3. Especificaciones de diseño

4. Métodos Cortos para el diseño de columnas de destilación

5. Métodos rigurosos para simulación de columnas de Destilación, Destilación reactiva, Destilación extractiva, Absorción, Extracción Líquido-Líquido.

6. Reactores químicos.

2. Simulación Molecular


Generalidades

Significado: Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos -Advanced System for Process Engineering (ASPEN).

Software sofisticado que puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad.

Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc.

Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca mediante subrutinas Fortran u hojas de trabajo Excel.

Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos.


Flash

La mezcla que se muestra a continuación se condensa parcialmente y sesepara en dos fases. Calcúlense las cantidades y composiciones de las fasesen equilibrio, V y L. Determine la cantidad de calor transferido en elintercambiador de calor en kW y las composiciones de las corrientes V y L.


Flash

Efectúe un análisis de sensibilidad para verificar el efecto de la temperaturade entrada al Flash sobre el calor transferido. Analice el rango de 10 a 600°F, calculando un total de 350 puntos. Elabore la gráfica Q vs T


Sensit ivity Results Curve

Temperatura, °F

Q K

W

10 110 210 310 410 510 610-2750

-2500

-2250

-2000

-1750

-1500

-1250

-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000

1250

Q KW

Problema clásico

El sistema que se representa seguidamente se utiliza para enfriar elefluente de una reactor y separar los gases ligeros de los hidrocarburosmás pesados. Calcule la composición y la velocidad de flujo del vaporque sale de la cámara de flash. ¿Influye sobre el resultado la velocidad deflujo de líquido agotado?

INT - 1 INT - 2E-3

Divisor

Efluente del reactor

1000 °F, 500 psia

lbmol/h

H2 2000

CH4 2000

Benceno 500

Tolueno 100

200 °F 100 °F

500 psia

Líquido

Vapor

Salida LiqLíquido Agotado


Especificaciones de Diseño

1750 lbmol/h de una mezcla equimolar de benceno, tolueno, n-heptano yn-octano a 370 psia entra como líquido saturado a un separador FlashAdiabático. ¿Cuál deberá ser la presión del Flash para que se vaporice el45 % de la alimentación?


Tips:

1. Primero realice un análisis de sensibilidad para verificar el intervalo dondese encuentra la solución.

2. Utilice como variable objetivo el flujo de vapor para calcular de maneraindirecta la fracción de vaporización.

3. Utilice especificaciones de diseño para obtener la presión.

Diagramas x-y y T-x-y

Considere una mezcla equimolar binaria de 100 kmol/min de etanolagua, a 25°C y 1 atm. Elabore diagramas x-y y T-x-y usando

(a) Ideal

(b) NRTL-RK

¿A qué composición se encuentra el azeótropo? ¿La mezcla metanol-aguapresenta azeótropo?


Diagramas x-y y T-x-y


T-xy diagram for ETHANOL/WATER

Liquid/vapor mass fraction, ETHANOL

Tem

per

atu

re, C

0.940 0.945 0.950 0.955 0.960 0.965 0.97078.1555

78.1560

78.1565

78.1570

78.1575

78.1580

78.1585

78.1590

78.1595

78.1600

78.1605

78.1610

78.1615

78.1620

78.1625

78.1630

78.1635

78.1640

78.1645

78.1650

78.1655

78.1660

78.1665

78.1670

78.1675

78.1680

78.1685

78.1690

78.1695

78.1700

78.1705

78.1710

78.1715

78.1720

78.1725

78.1730

78.1735

x 1.0133 bar

y 1.0133 bar

CENTRO DE ESTUDIOS CORTAZARFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Métodos Cortos


Modelo: Peng Robinson

Métodos Cortos y rigurosos

Usando métodos cortos, diseñe una columna para separar 1000kmol/hr de una mezcla a 1atm de 0.3 de Benceno, 0.4 de Tolueno y0.3 de o-Xileno en su punto de burbuja. La relación de reflujo es 1.5veces Rmin. Se desea recuperar el 99% del benceno alimentado por eldomo y el 97% del o-Xileno alimentado por el fondo. Utilice ASPEN Plus.

Adicionalmente verifique que la etapa de alimentación usada sea laóptima, mediante un análisis de sensibilidad para ver el efecto sobre QB.


Métodos Rigurosos

Componente lbmol/h

Etano 3.0

Propano 20.0

n-Butano 37.0

n-Pentano 35.0

n-Hexano 5.0

Calcúlense composición de los productos, temperaturas de las etapas,composiciones y flujos de las corrientes de vapor y liquido interetapas, serviciodel ebullidor y servicio del condensador para las especificaciones de lasiguiente columna de destilación. MODELO SRKAlimentación (líquido saturado a 250 psia y 213.9°F):•Presión de la columna = 250 psia•Condensador parcial y ebullidor parcial•Flujo de destilado = 23 lbmol/h•Reflujo = 150 lbmol/h•Numero de etapas de equilibrio (excluidos el condensador y el ebullidor) = 15•La alimentación se envía a la etapa 14 a partir del domo.•Determínese la localización óptima de la etapa de alimentación.


Reconsidérese el Ejercicio anterior para retirar una corrientelateral de vapor, con un flujo de 37 lbmol/h, de la cuarta etapacontando desde la cola.

Reporte composición de los productos, temperaturas de lasetapas, composiciones y flujos de las corrientes de vapor y liquidointeretapas, servicio del ebullidor y servicio del condensador


Extracción Líquido-Líquido


Extracción Líquido-LíquidoCorrientes implicadas:

Alimentación (F): Disolución cuyos componentes se desean separar.

Disolvente (S): Líquido utilizado para separar el componente deseado

Refinado (R): Corriente de alimentación ya tratada

Extracto (E): Disolución con el soluto recuperado.


Extracción Líquido-Líquido300 kg/h de una solución acuosa de ácido acético de composición

40% en peso de ácido (T=25°C, P=1 atm) se extraen encontracorriente con éter isopropílico (CAS# = 108-20-3) aT=25°C, P=1 atm, para reducir la concentración del ácido en elproducto refinado al 4% en peso Calcular:

Elabore un diagrama ternario usando IDEAL y NRTL. ¿Existenazeótropos?

a) Si el número de etapas es 5 cuál es la cantidad de solvente (éter)mínima necesaria para efectuar la separación. Como valor inicialutilice FETER = 1000 kg/h. Reporte flujos y composiciones de E yR. Modelo: NRTL. Use Análisis de sensibilidad.

Acetic acid 1.05g

ml eter 0.725

g

ml


Extracción Líquido-Líquido

ELL

F

ETER

EXTRACTO

REFINADO


eter 0.725g

ml

1g

agua ml

CENTRO DE ESTUDIOS CORTAZAR

Extracción Líquido-Líquido cambiar


eter 0.725g

ml

1g

agua ml

Destilación ExtractivaEl MCH y tolueno forman un sistema de punto de ebullición cercano que esdifícil de separar por destilación binaria simple. En la columna derecuperación de la figura, el Fenol es usado para extraer el Tolueno,permitiendo recuperar methylcyclohexane relativamente puro en el productodel tope. La pureza del methylcylohexane recuperado depende del flujo deentrada de fenol. Utilice UNIFAC.

a) Efectúe la separación por destilación ordinaria (sin fenol).b) Utilice destilación extractiva y compare los resultados.

Fenol 1200 lbmol/hr220°F20 psia 7

14

1

22

MCH 200 lbmol/hrTolueno 200 lbmol/hr220°F20 psia

Condensador totalRop = 8D = 200 lbmol/hrP cond = 16 psiaP eb = 20.2 psia


Destilación Reactiva

22


Modelo: UNIFAC

Destilación Reactiva

22

Reporte los productos obtenidos.

Platos

reactivos

Condensador total

Rehervidor

Acido Acético

Metanol

6

21

27

R = 2.2D

B

Cambie la alimentación de ácido a la etapa 3 y verifique los resultados

Efectúe un análisis de sensibilidad variando la relación de reflujo entre 2.0 -4.0 y verifique cómo cambia la composición del Acetato en D, QB . D=90kmol/h


AbsorciónEs la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida).

Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C.

Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto Aa través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo.


Absorción

Se disponen de 100 kmol/h de una mezcla gaseosa amoniaco –aire de composición 15% en mol de amoniaco, la cual seintroduce a una columna de absorción de 15 etapas teóricas encontracorriente con 150 kmol/h de agua. Las corrientes seintroducen a una presión de 5 atm y temperatura de 20 °C.Reporte el perfil de composiciones y flujos. ¿Cuántoamoniaco fue absorbido? R [=] kmol/h

La presión en la columna varía linealmente de 5 atm en elfondo hasta 1 atm en el domo.

Modelo Termodinámico: UNIFAC


Absorción


Absorción: Resultados

Block ABSORB: Vapor Composition Profiles

Etapa

Y N

H3

1 3 5 7 9 11 13 15

0.1

30.1

40.1

50.1

60.1

70.1

80.1

90.2

AMONIACO


Absorción: Resultados

Block ABSORB: Vapor Composition Profiles

Stage

Y

(mo

le f

rac)

1 3 5 7 9 11 13 15

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

AIRE

AMONIACO

AGUA


Absorción: Comprobar si se alcanzan las siguientes especificaciones

Utilice el método UNIFAC.

Haga un análisis de sensibilidad para lograr las especificaciones P = 1 – 5 atm


ReactoresTipos de reactores en ASPEN:

MODELO DESCRIPCIÓN PROPÓSITO UTILIDAD

RSTOICReactor estequiométrico

Modela reactores estequiometricos con extensión o conversión especificada

Reactores donde la cinética es desconocida o poco importante pero la estequiometria y extensión son conocidas

RYIELD Reactor de producciónmodela reactor con una producción específica

Reactores donde la estequiometría y la cinética son desconocidas o poco importantes pero la distribución de rendimiento es conocida

REQUIL Reactor de equilibriorealiza equilibrio químico y de fases por cálculos estequiométricos

Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases

RGIBBS

Reactor de equilibrio realiza equilibrio químico y de fases por minimización de la energía de GIBBS

Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases.

con minimización de energía de GIBBS

Calculo de equilibrios de fase para soluciones con sólidos y sistemas vapor-liquido-solido

RCSTRReactor continuo de tanque agitado

modela reactor de tanque agitadoReactores de tanque agitados con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética

RBATCH Reactor Batchmodela reactores batch o semicontinuos

Reactores batch o semicontinuos con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética


ReactoresTipos de reactores en ASPEN:


ReactoresModelado


Reactor estequiométricoEn un reactor estequiométrico adiabático se lleva a cabo la producción de

metanol, con una conversión del 100%. La mezcla reactante consta de 1lbmol/h de CO, 2 lbmol/h de H2 y 5 lbmol/h de Dodecano. Las condicionesson P = 1 atm y Tentrada = 25°C

a) Calcule las composiciones en la corriente de salida, así como el calor de lareacción. Use el modelo termodinámico Predictive Redlich Kwong Soave(PSRK)

2 32CO H CH OH

b) Calcule las temperaturas de burbuja y de rocío para la corriente de salida del reactor

Tb = 56.71°CTr = 208.43 °C

de CO90586.533 kJ

rxn kmolH


Reactor estequiométricoSe produce cloro mediante la reacción:

La composición del flujo de 100 kmol/hr de alimentación al reactor es de 60% mol de HCl, 36% mol de O2 y 4% mol de N2, la cual entra al reactor a 550°C y 1 atm. Si la conversión a HCl es de 75% y si el proceso es isotérmico, ¿cuánto calor debe transferirse del reactor por cada mol de la mezcla gaseosa que entra en él? -366.92 kW

2 2 ( ) 24 2 2ggHCl O H O Cl

b) Composiciones de la corriente de salida:

c) ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?

d) ¿Cuánto es el avance de reacción (mol/hr)?


Temperatura adiabática de flama

¿Cuál es la temperatura máxima que puede alcanzarse por lacombustión del metano con un exceso de 20% de aire? El metanoy el aire entran al quemador a una temperatura de 25°C y P=1atm.La reacción es:

4 2 2 22 2g

CH O CO H O Sol. 1796.5°C

¿cuál es el efecto del aire en exceso en la Temperatura?


Ejercicio T adiabática de flama 2

¿Cuál es la temperatura máxima que puede alcanzarse por la combustión del butano con un exceso de 20% de aire? El butano y el aire entran al quemador a una temperatura de 25°C. P = 1 atm

Sol. 1853°C

b) Calcular la Tmax si se alimenta oxígeno en proporción estequimétrica en lugar de aire en exceso

Sol. 5342.3°C

4 10 2 2 22 13 8 10C H O CO H O

Sol. 2125°C

c) Calcular la Tmax si se alimenta aire en proporción estequimétrica.


Reporte los productos obtenidos¿Qué variables podrían modificar para maximizar la producción de Cumeno?


Ejercicio: Producción de Ciclohexano


Ejercicio: Producción de CiclohexanoCorriente 1: Presión 335 psi, temperatura 120 °F, caudal total 313 Kmol/h,

composición: 97.5% H2 , 0.5% N2 y el resto de metano (inerte junto con el

nitrógeno).

Corriente 2: Presión 15 psi, temperatura 100 °F y caudal 100 Kmol/h de benceno

puro.

Intercambiador 1: Presión 330 psi, temperatura a la salida 330°F.

Reactor: Tipo de modelo de Aspen RSTOIC. Temperatura 400°F, presión -15psi

(negativa por pérdida de carga), conversión de benceno 99.8%, reacción:

3Benceno Hidrógeno Ciclohexano

Flash: Temperatura 120 °F y presión -5psi (negativa por pérdida de carga).

Columna de destilación: Tipo de modelo de Aspen RADFRAC, Número de platos

12, condensador parcial, relación de reflujo 1.2, fondos 99 Kmol/h, la alimentación

entra en el plato 8, la presión del plato 1 es de 200psi.

Divisor 1: El 92% que sale como vapor del flash se recircula

Divisor 2: El 30% que sale como líquido se recircula.

Emplear como propiedades termodinámicas la ecuación de RK-Soave

a) Elabore un reporte de la situación actual de la planta.

b) ¿Se puede mejorar la producción de Ciclohexano?, ¿cómo?


simulaciÓn en ingenierÍa quÍmica

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