Software para el diseo de columnas de destilacin

Operaciones Unitarias III

INTRODUCCIN

En los ltimos aos, la simulacin de procesos ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseo y evaluacin de distintos procesos relacionados a la industria qumica, hidrocarburos, mineria, etc. La simulacin de procesos juega un papel muy importante en las industrias antes mencionadas, como herramienta adecuada y oportuna para el diseo, caracterizacin, optimizacin y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales.Enlaindustria, la separacin de componentesvoltiles serealizapor medio de destilacin,yasea en columna de platosoen columna empacada, selleva acaboparalarecuperacin desubproductosdereaccionesopurificacin. En este tipo de operaciones es muy importante el considerar el balance de materiales para obtener una operacin estable y calidad de los productos deseada.

COLUMNASDEDESTILACIN

FUNDAMENTOS:La destilacin ,es su forma ms simple, la separacin por vaporizacin de los componentes de una solucin que resulta de una diferencia de volatilidad de los componentes. La destilacin de mltiples etapas, puede ser llevada a cabo en una simple columna de pared mojada, la cual es un cilindro vertical sobre cuyas superficies internas fluyen en contracorriente lquido y vapor. A causa de su limitada superficie interfacial, la transferencia de masa es muy limitada. Una de las formas de obtener una interfase grande consiste en llevar a cabo esta operacin en una torre llena de cuerpos geomtricos pequeos (empaque) que permite el contacto continuo e ntimo entre el lquido y su vapor, al desplazarse a travs de la misma contracorriente. En la prctica se utilizan gran variedad de materiales para empacar torres, dentro de estos se encuentran: pedaceara de vidrio, piedras porosas, carbn, empaque estructurado, o empaque cermico, entre los principales. Dentro de los empaques ms conocidos se tienen: anillos rashing, anillos lessing, anillos de particin empaque tipo silla o silla intalox y el empaque estructurado DEFINICINUnacolumnadedestilacinesunaestructuracerrada en lacual serealizalaseparacinfsicade un fluido en dos o ms fracciones. Esta separacin se logra sometiendo el fluido a condiciones de presin y temperaturaapropiadasalolargo delacolumna,de modo de lograr que las fracciones que se buscan separar seencuentren endosestadosdiferentes.La fraccin ms pesada (en estado lquido) baja por gravedad, mientras que la ms liviana (en estado gaseoso) sube y se condensa en las partes superiores. De esta manera se logra un buen intercambioentreambasfasespermitiendo laefectiva transferenciadelapartegaseosa dellquidoquebaja alafase gaseosaque subee,igualmente, de laparte lquida que pueda arrastrar la fraccin gaseosa que subeal lquidoquebajacomoseapreciaen lafigura. Este mecanismo de transferencia se optimiza al maximizar la superficie de contacto entre ambas fases. En las columnas de destilacin esto se realiza

SOFTWARES DE SIMULACIONESSon herramientas que nos permiten facilitar el diseo, caracterizacin, optimizacin y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. Entre los principales tenemos: Aspen Hysys Aspen Plus Chemcad DTDF - Columna destilacion McCabe Thiele 1.8.0: MatLab (API-MatLab)

VENTAJAS DEL USO DE SOFTWARE DE SIMULACIN La simulacin interfiere en sistema del mundo real. Es un proceso relativamente eficiente y flexible. Hace posible analizar y sintetizar una compleja y extensa situacin real. Permite el diseador examinar rpidamente varias configuraciones de planta Permite la experimentacin en condiciones que podran ser peligrosas en el sistema real. Reduce el tiempo de diseo de una planta. Desventajas del uso de software de simulacin Un buen modelo de simulacin puede resultar bastante costoso; a menudo el proceso a desarrollar un modelo es largo y complicado para su validacin. Por error se producen diferentes resultados en repetidas corridas en el computador. Cada modelo de simulacin es nico, las soluciones e inferencias no son usualmente transferibles a otros problemas. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar Soluciones ptimas. Aplicacin de softwares de simulacin Deteccin de cuellos de botella en la produccin. Prediccin de los efectos de cambio en las condiciones de operacin de las variables de la planta. Optimizacin de las variables de proceso. Optimizacin del proceso cuando cambian las caractersticas de los insumos y/o las condiciones econmicas del mercado. Evaluacin de alternativas de proceso para reducir el consumo de energa. Anlisis de nuevos procesos para nuevos productos Transformacin de un proceso para desarrollar otras materias primas Anlisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos. Optimizacin para minimizar la produccin de desechos y contaminantes. Entrenamiento de operados e ingenieros de procesos. Investigacin de la factibilidad de la automatizacin de un proceso.

SOFWARE PARA EL DISEO DE COLUMNA DE DESTILACION

1. DTDF - Columna destilacion McCabe Thiele 1.8.0

DTDF - Diseo de columnas de destilacion por el metodo de McCabe para destilacion de mezclas binarias (incluyendo azeotropos) - Cambios interactivos de los valores sobre el grafico de McCabe-Thiele

2.

2- Diseo y simulacin de una columna de destilacin binaria de etanol- Hysys.

El Diseo y Simulacin de una columna de destilacin binaria de etanol-agua, para la empresa Hetwen. Los objetivos consisten en recopilar la informacin para disear y simular la columna de destilacin as como predecir los cambios ante variaciones en las condiciones de operacin. Se utilizaron los mtodos inductivo y deductivo los cuales se basaron en 3 etapas fundamentales que son: la Seleccin del tipo y tamao del empaque, determinacin del dimetro y altura de la columna, para la separacin especificada. El software empleado para la simulacin fue Aspen Hysys, el mismo que facilit la comprensin de la operacin en un entorno ms real. Como resultados obtenidos tenemos que: La columna est diseada para tratar 400 kg/h de mezcla etanol-agua. Se opt por columnas empacadas dado que el dimetro de la columna es relativamente pequeo 0,3048m. El sistema cuenta con un tanque de ebullicin enchaquetado y con un sistema de agitacin, para el proceso de condensacin del vapor de etanol se emplea un intercambiador de calor de tubos y coraza, a travs de los tubos circular agua helada a 5C aproximadamente la misma que condensar el vapor de etanol. A partir del diseo concluyo que el sistema de destilacin etanol-agua producir un destilado al 85-90% en concentracin de etanol partiendo de una mezcla de concentracin inicial en etanol de 20%. La recomendacin a la Escuela de Ing. Qumica es implementar un rea especfica para la simulacin de procesos debido a la importancia que tiene la misma a nivel industrial.

3.- ChemcadChemcad es un software para simulacin de operaciones de destilacin, absorcin y extraccin, en el cual se integran clculos flash, clculos clsicos de columnas de platos y clculos de modelos de no equilibrio que se presentan en un mdulo de fcil manejo para el usuario. Uno de los aspectos ms importantes de este simulador es que ofrece al usuario gran variedad de modelos de transferencia de masa y de modelos de flujo, adems de extraccin lquido lquido y modelos de destilacin de tres fases.Las versiones ms actuales incluyen: seccin de estudios paramtricos, un mdulo de evaluacin industrial de columnas llamado SulCol y la posibilidad de generar diagramas de equilibrio de dos y tres fases. Este simulador adems incluye la posibilidad de que el usuario ingrese sus propios modelos al sistema y realice las simulaciones, ya sea de un solo equipo o de un arreglo de stos, para evaluar su aplicabilidad. Entre los modelos que se pueden ingresar al simulador se encuentran: modelos internos de columnas, correlaciones de transferencia de masa y rea interfacial, y mtodos de diseo. El cdigo para estos modelos es compilado con OpenWatcom compilers, el cual est vinculado dinmicamente y puede ser puesto aprueba usando un debugger. La versin Lite de este simulador presenta restricciones en algunas de sus aplicaciones, ya que se encuentra disponible gratis en la web como software de prueba para la adquisicin del paquete completo.

4.- VAXA SOFTWARESimulador de columnas destilacin de mezclas binariasHasta 6 etapas consecutivas de destilacin

Podemos simular hasta 6 etapas de destilacin consecutivas, indicando la composicin de cada etapa segn el porcentaje de avance de cada destilacin.

Grficas con 23 parmetros

Podemos representar las composiciones del destilado o el residuo en masa, moles, fraccin molar o porcentaje en masa.

Tablas con 23 parmetros

Podemos tabular resultados con las composiciones del destilado o el residuo en masa, moles, fraccin molar o porcentaje en masa.

Equilibrio Lquido-Vapor

Podemos especificar el equilibrio lquido-vapor de dos formas: 1 - Volatilidad relativa alfa (si sta es constante). 2 - Tabla de valores.

Azetropos

Podemos trabajar con mezclas binarias que tengan azetropos.Vea las tablas de equilibrio que se incluyen con la aplicacin de: - Acetato de etilo - Etanol - Acetona - Cloroformo - Etanol - Agua - n-Heptano - Tolueno

5. Programa Interfaz de Aplicacin de MatLab (API-MatLab)MatLab es un ambiente matemtico cuyos elementos fundamentales de operacin son las matrices, lo que permite su aplicacin inmediata en la solucin de problemas de lgebra lineal. l incluye capacidades grficas, un interprete rpido y estructuras bsicas de programacin cuya sintaxis es similar a la de ciertos lenguajes de programacin como C, Fortran y Basic. Estas estructuras han permitido el desarrollo de herramientas, las cuales constituyen una coleccin de algoritmos especialmente diseados para reas de ingeniera como los sistemas de control, el procesamiento digital de seales, las redes neuronales, el control robusto, etc. Adems de estas caractersticas, MatLab posee un ambiente grfico de programacin denominadoSimulink,el cual, permite el anlisis y simulacin de sistemas lineales y no lineales mediante un lenguaje de programacin grfica, utilizando diagramas de bloques.Al realizar un modelo de un proceso implementado en simulink y ejecutar la simulacin se puede observar en graficos en funcin del tiempo el comportamiento de una determinada variable. Si se desea interactuar con simulink a travs de otra aplicacin, una opcin es utilizar el protocolo DDE. Para ello MatLab puede ser un cliente o un servidor. Si MatLab es un cliente es necesario construir una caja de dialogo en simulink con funciones que puedan iniciar una conversacin DDE para intercambiar datos.Cuando MatLab es un cliente DDE dispone de las funciones siguientes:ddeinit: Inicia una conversacin DDEddepoke: Enva datos a una aplicacinddereq: Requiere datos de una aplicacinddeadv: Coloca un enlace aconsejadoddeexec: Enva una cadena para ejecucin.Ddeunadv: Libera enlace aconsejadoDdeterm: Termina una conversacin DDEEstas funciones son utilizadas para componer la funcin que permita el enlace con Lookout y LabVIEW. De manera que Matlab ser un cliente DDE. Si MatLab acta como servidor DDE, MATLAB es el nombre del servicio y los temas sonSystemyEngine.

6. Programa Interfaz de Aplicacin de LookoLookout es un programa para automatizacin industrial que permite el desarrollo de HMI/SCADA con alto desempeo bajo Windows, Windows 95 y Windows NT. Lookout es un sistema orientado a objeto. As que para crear una HMI simplemente se configuran los objetos y se colocan en la pantalla grfica. Entre las ventajas a destacar de Lookout esta la de permitir una autntica configuracin en lnea. Mientras se van creando y modificando los objetos, stos reflejan de forma inmediata el comportamiento real, incluso al operar en modo edicin. Esta capacidad permite realizar cambios a la interfaz del operador sin detener o interrumpir el proceso industrial. Adicionalmente Lookout posee una arquitectura basada en eventos, de forma que las aplicaciones son rpidas y aprovechan de manera eficaz los recursos del PCAl modelo de un proceso implementado en simulink, se le agrega una funcin que agrupa los datos relevantes del proceso para iniciar una conversacin con Lookout que se desempea como la aplicacin servidora.La funcin incorporada al programa en simulink esta programada para incluir las funciones propias de MatLab que permiten establecer un enlace DDE.En la figura 2 se muestra un diagrama de flujo de la funcinddeulaimplementada para integrar un proceso virtual en Matlab con Lookout

7. MODELO DE COLUMNA DE DESTILACIN RADFRAC-ASPEN PLUSExisten varios modelos de columnas en ASPEN PLUS para simular en estado estacionario una destilacin. Estos son los nueve modelos disponibles: 1. DSTWU4. Extract7. PetroFrac2. Distl5. MultiFrac8. RateFrac3. RadFrac6. SCFrac9. BatchFracCuando se vaya a simular una columna, la eleccin del modelo depende del tipo de aplicacin que se trate en el problema, de cuanta complejidad se quiera introducir en el diseo o ajuste de la columna, de si lo que se quiere es efectuar un estudio riguroso o simplemente preliminar y depende asimismo del volumen de resultados que se desee obtener una vez ejecutada la simulacin.RadFrac es un modelo aplicable en un amplio nmero de situaciones y, adems, ofrece suficiente complejidad y rigor en el clculo, compatibles ambos con la sencillez en la construccin del modelo de columna en ASPEN PLUS. Es un modelo de columna de destilacin bastante ms riguroso que los basados en Underwood-Fenske o similares y ms sencillo que los usados para destilaciones de crudo; pero tiene el suficiente rigor para destilaciones convencionales.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICASA. Marcilla Gomis, Introduccin a las operaciones deseparacin, 1998.Editorial Compobell, S. L. Murcia. Christie J. Geankoplis, Proceso de transpote y operaciones unitarias, Tercera Edicin, 1998.Editorial Continental.Robert E. Treybal, Operaciones de transferencia demasa, Segund Edicin, 1998. Editorial McCraw-Hill.E. J. Henley, J. D. Seader, Operaciones de separacinpor etapas De equilibrio en ingeniera qumica, 1988.Editorial Reverte,S.A.Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot,Operaciones Unitarias enIngenira Qumica, Cuarta Edicin,1991. Editorial McCraw-Hill.LITTE, dym, El proceso de diseo en ingeniera. 2002.Editorial Lernusa S.A. Mxico DF.Robert H. Perry, Perrys Chemical EngeneersHandbook, Stima Edicin, 1999. Editorial The Mac Graw-Hill, New YorkHumphey,J,L y G.E Keller II.(1997), Separation Process Techology. McGraw Hill, 36p. Wankat, Phillip C..(2007), Ingeniera de los Procesos de Separacin. Prentice Hall, 245-255p. Triantafyllou, C., y Smith, R., (1992), The Design and Optimization of Fully Thermally Coupled Distillation Columns, Trans. Inst. Chem. Eng., 70, 118-132. Hernndez, S., Pereira-Pech, S., Jimnez, A., y Rico-Ramrez, V., (2003), Energy Efficiency of an Indirect Thermally Coupled Distillation Sequence. The Can. J. Chem. Eng., 2003; 81 (5) 1087 [5] Hernndez, S., y Jimnez, A., (1996), Design of Optimal ThermallyCoupled Distillation Systems Using a Dynamic Model. Trans Inst. Chem. Eng., 74, 357.Linkografia:

https://www.youtube.com/watch?v=1COIBRNdllwhttps://www.youtube.com/watch?v=nrfwebEYjM4https://www.youtube.com/watch?v=1COIBRNdllwhttps://www.youtube.com/watch?v=oLQ-K0yosRA