Simulacin de Procesos Qumicos

1.- DESTILACION FLASH:Se somete a destilacin flash una mezcla compuesta por 15% moles de hexano, 35% moles de heptano y el resto de octano a una presin de 2 atm. La destilacin se efecta a una presin de 1 atm y a una temperatura de 110C. Determinar las cantidades de vapor y de lquido, con sus respectivas composiciones.

Ilustracin 1 Diagrama del proceso

a) Resolucin analtica:Balance de masa global: Balance del componente i:

Sea :

Sea , donde es la constante obtenida a partir de los nomogramas de De Priester a la temperatura y presin sbitas:

Como est en funcin de , y a su vez depende del nmero de moles del vapor (), entonces se est frente a un proceso iterativo. Se llegar a la solucin cuando .

b) Resolucin matemtica:Datos:

Tabla 1 Composicin de alimentacin y constante de equilibrio de los componentesComponente

1 (nHexano)0,153

2 (nHeptano)0,351,4

3 (nOctano)0,500,7

TOTAL1,00

Se asume una base de para la alimentacin. Por lo tanto:

Tabla 2 Composicin de la fase lquido y vaporComponente

1 (nHexano)0,1530,05270,1580

2 (nHeptano)0,351,40,25550,3577

3 (nOctano)0,500,70,69180,4843

TOTAL1,001,00001,0000

c) Resolucin con Chemcad:

Creamos el diagrama del proceso de acuerdo a los datos del problema:

Ilustracin 2 Simulacin del procesoEn las especificaciones de la operacin unitaria colocamos los datos indicados por el problema:

Ilustracin 3 Especificaciones del destilador flash

Ejecutamos la operacin unitaria y obtenemos los siguientes resultados:

Ilustracin 4 Resultados obtenidos con Chemcad

d) Comparacin de Resultados: Tabla 3 Comparacin de resultadosMatemticoChemcad

Componente

1 (nHexano)0,150,05270,15800,06670,1942

2 (nHeptano)0,350,25550,35770,28230,3859

3 (nOctano)0,500,69180,48430,65090,4198

TOTAL1,001,00001,00001,00001,0000

Como podemos observar en la Tabla 3 los resultados obtenidos mediante la simulacin en Chemcad se aproximan a los resultados obtenidos matemticamente.

2.- DESTILACION EN SEPARADOR TOWER:Una columna de platos a contracorriente y en estado estable se va a usar para separar etanol y agua. La alimentacin contiene 30% de etanol y 70% en peso a 40 C. El flujo de alimentacin es 10000 kg/h. La columna funciona a 1kg/cm2 de presin. El reflujo regresa como lquido saturado. La relacin de reflujo L/D es 3.0. Se desea una composicin en la corriente de fondo de xB = 0.05 (fraccin en peso de etanol) y una composicin de destilado de xD =0.80 (fraccin en peso de etanol). El sistema cuenta con condensador total y un vaporizador parcial. Determine: D, B, QC y QR.

a) Resolucin matemtica

1. Se plantean los balances de materia en la columna, para calcular los flujos de las corrientes de tope y fondo, D y B.

Ilustracin 5 Diagrama del proceso

Balance de masa global: Balance de masa del componente ms voltil:

Resolviendo simultneamente las ecuaciones (1) y (2), se obtiene:D = 3333 kg/h y B = 6667 kg/h2. Se plantea el balance de energa en la columna y en el condensador para determinar las cargas trmicas, QR y QC:

En la columna:

Balance de materia global en el condensador:

Dividiendo la ecuacin entre D, resulta:

Sustituyendo los valores en la ecuacin 4, se obtiene:

V1 = 13,332.00 kg/hBalance de energa en el condensador:

Se considera condensador total, entonces:

y la ecuacin (5) se transforma en:

Las entalpas se pueden leer en un diagrama entalpia composicin:

hD (xD = 0.80, liquido saturado) = 60 kcal/kghB (xB = 0.05, liquido saturado) = 90 kcal/kg hF (xF = 0.30 y TF = 40 C) = 30 kcal/kg HV1 (yV1 = 0.80, vapor saturado) = 330 kcal/kgSustituyendo en la ecuacin (5), se obtiene:

De la ecuacin (3) se despeja QR:

b) Resolucin con Chemcad:Considerando que los datos necesarios para la ejecucin del separador Tower son el nmero de etapas y el plato al cual entra la alimentacin, y dado que no disponemos de informacin acerca de estas dos especificaciones realizaremos un anlisis previo con el separador Short Column con el fin de obtener valores aproximados para estas dos especificaciones.Creamos el diagrama del proceso de acuerdo a los datos del problema:

Ilustracin 6 Simulacin del proceso en Short Column

Para conocer el nmero de platos requeridos y el plato al cual debera ingresar la alimentacin, para las especificaciones del ejercicio en cuestin, realizamos un anlisis en modo diseo en el cual obtenemos los siguientes resultados:

Ilustracin 7 Especificaciones y resultados de diseo del separador Short ColumnComo se puede observar en la Ilustracin 7 para las especificaciones del ejercicio en cuestin se necesita un nmero mnimo de 4,5 etapas, un reflujo mnimo de 0,76 y que la alimentacin entre al plato 3 o 4. Adems el nmero de etapas calculadas para un reflujo igual a 3 es de 5,67. Cabe recalcar que pese a que el mtodo recomendado por el programa para la resolucin del ejercicio fue el mtodo NRTL, la simulacin fue realizada con el mtodo de la Ley de Raoult debido a que este es el mtodo utilizado en la resolucin matemtica del ejercicio. Con estos valores los resultados en las composiciones de las corrientes son los siguientes:

Ilustracin 8 Resultados de las composiciones de las corrientes obtenidos en Short ColumnComo se puede observar en la Ilustracin 8 la composicin de etanol en el destilado no corresponde a la especificada en el ejercicio, esto debido a que mediante la simulacin con el separador Short Column no se puede especificar una composicin en peso deseada en el condensador y en el vaporizador tal como lo indica el ejercicio; realizamos por tanto el anlisis con el separador Tower.

Ilustracin 9 Simulacin del proceso con el separador Tower

Ingresamos entonces las especificaciones necesarias para la ejecucin de separador Tower, es decir el nmero de etapas y el plato de entrada de la alimentacin. Tal como se pudo observar en la Ilustracin 7 para un separador de 6 etapas no se obtiene la composicin deseada en el destilado final, realizamos por tanto pruebas variando el nmero de etapas y el plato de entrada de la alimentacin partiendo de los valores arrojados por el anlisis con el separador Short Column (Nmero de etapas = 6, Plato de alimentacin = 5).

Ilustracin 10 Especificaciones generales del separador Tower

Ilustracin 11 Especificaciones del condensador y el vaporizador del separador Tower

Despus de un anlisis de prueba y error se obtuvo que es necesario un separador de 14 etapas con alimentacin al plato 5 para la obtencin de una composicin de destilado igual 0.8, tal como se puede observar en la Ilustracin 12.

Ilustracin 12 Resultados de las composiciones de las corrientes obtenidos en Tower Column

Los resultados de la energa en el condensador y en el vaporizador se presentan en la Ilustracin 13:

Ilustracin 13 Resultados de las caractersticas del separador Tower Column

c) Comparacion de resultados:Tabla 4 Comparacin de resultados del balance de masaMatemticoChemcad

CorrienteFBDBD

Etanol0,300,050,200,04990,2045

Agua0,700,950,800,95000,7954

TOTAL1,001,00001,00001,00001,0000

Flujo msico (Kg/h)10000666733333353,86646,2

Tabla 5 Comparacin de resultados del balance de energaMatemticoChemcad

QC (MJ/h)15070,9715283,64

QR (MJ/h)17164,4117339,23

Como se puede evidenciar en la Tabla 4 los los resultados obtenidos por chemcad para el balance de masa son coherentes y se aproximan a los resultados obtenidos matematicamente; ademas en la Tabla 5 podemos ver que tambien los resultados obtenidos para el balance energetico se aproximan a los resultados obtenidos matematicamente. Por tanto podemos concluir que la simulacion representa de manera correcta el problema del ejercicio.

3.- DESTILACION EN SEPARADOR TOWER PLUS:Se va a fraccionar 1000 lb/h de una solucin de acetona-agua, que contiene 25% en peso de acetona, a 1 atm de presin. Se desea recuperar el 99,5% de la acetona en el destilado a una concentracin de 99% en peso. La alimentacin se va a tener a 26,7 C y se va a precalentar mediante un intercambio de calor con el producto residual del fraccionador, que a su vez se va a enfriar a 51,7 C. Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37,8 C mediante agua de enfriamiento que entra a 26,7 C y sale a 40,6 C. El reflujo va a regresar a 37,8 C con una relacin de Ropt/Rmin igual a 2.27. Se va a utilizar vapor de agua indirecto como medio de calentamiento en el rehervidor a 1.5 Kgf/cm2. La torre va a estar aislada para reducir la perdida calorfica a valores despreciables. Calcule:a) El flujo y composicin del destilado, reflujo y residuo, por hora b) La carga calorfica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora c) La entalpa de la alimentacin al entrar en la torre y su condicin trmica (expresada cuantitativamente) d) La carga calorfica del rehervidor y el flujo de vapor de agua , por hora e) Nmero de etapas a reflujo total f) El nmero de platos ideales requeridos si la alimentacin se introduce en la ubicacin optimag) Ubicacin del plato de alimentacin y las composiciones del flujo de liquido y vapor en equilibrio

T, C2037,865,693,3100

Capacidad calorfica acetona, kJ/KgC2,222,262,342,43

Calor latente evaporacin, kJ/kg1013976917863850

Resolucion matematica:

Ilustracin 14 Esquema del proceso especificadoa) Calculo de las composiciones y flujos de la corriente de alimentacin, destilado y residuo en unidades molares:

Balance de masa global:

Balance por componente:

b) Calculo del calor retirado en el condensador, QC:

Balance de materia global en el condensador:

Dividiendo la ecuacin entre D, resulta:

Trazando en la grfica x-y para acetona agua el RminObtenindose el corte con el eje Y igual a xD / (Rmin + 1) = 0.54 Despejando queda Rmin= (xD /0.54) 1

Rmin = (0.9685/0.54) -1 = 0.7935Ropt = 2.27 (0.7935) = 1.801

Sustituyendo los valores se obtiene:

V = 56, 2408 kmol/hL = 36, 1548 kmol/h

Balance de energa en el condensador:

Se considera condensador total, entonces:

Se tiene entonces:

Del grafico calor latente de mezcla vs temperatura se obtiene:

Calculo del flujo de agua de enfriamiento, magua:

Cp Agua a Temperatura Promedio 33.65 C = 4,1791 KJ/kg C

c) Calculo de la entalpia de la corriente de alimentacin en el punto de entrada a la torre:Para determinar la entalpia en la corriente de alimentacin a la entrada de la columna se realiza un balance entalpico en el intercambiador de calor a la entrada de la columnaEn la columna:

Calculo de las entalpias de cada una de las corrientes de entrada y salida de la columna: h = CP (T Tref) Tomando como Tref = 17,2 C Del grfico: Cp vs. Composicin(x, y) se obtienen los valores de las capacidades calorficas, CP:CP,F = 4,020 kJ/kg. C (21,75 kg/kmol) = 87,435 kJ/kmolC CP,D = 2,26 kJ/kg. C (56,74 kg/kmol) = 128,2324 kJ/kmolC CP,B = 4,1793 kJ/kg. C (18 kg/kmol) = 75,2267 kJ/kmolC hF = 87,435 kJ/kmol. C (26,7 17,2) C = 830,6325 kJ/kmol hD = 128,2324 kJ/kmolC (37,8 17,2) C =2641,5874 kJ/kmol hB = 75,2267 kJ/kmolC (51,7 -17,2) C = 2595,3212 kJ/kmolhB,e = Cp,Be (Tburbuja Tref) Por diagrama Tyx, Tburbuja = 100 ChB,e = 75,2267 kJ/kmolC (100 17,2) C = 6228,771 kJ/kmol

Calculo de la temperatura de alimentacin a la entrada de la torreHF,s = Cp,Fs*(TFs Tref) = 4114.125 kJ/kmol TFs= (4114,125 kJ/kmol / 87,435 KJ/Kmol) +17,2C = 64,25 C

De acuerdo al diagrama T xy, con XF= 0,09375, la temperatura de burbuja Tb de la mezcla de alimentacin es 67C, comparando este valor con TFS calculado igual a 64,25 C, se tiene que la mezcla entra a la torre como lquido subenfriado.Calculo de la condicin trmica de la alimentacin q La condicin trmica de la alimentacin se determina mediante la ecuacin:hL = CPMezcla F* (TbF Tref)= 87,435KJ/Kmol*C*(67-17,2) C= 4354,263KJ/Kmol

F*HFs + QR= D*HD+B*HBe +QCQR= D*HD+B*HBe +QC - F*HFs

Resolucin con ChemcadConsiderando que los datos necesarios para la ejecucin del separador Tower Plus son el nmero de etapas y el plato al cual entra la alimentacin, y dado que no disponemos de informacin acerca de estas dos especificaciones realizaremos un anlisis previo con el separador Short Column con el fin de obtener valores aproximados para estas dos especificaciones.Creamos el diagrama del proceso de acuerdo a los datos del problema:

Ilustracin 15 Simulacin del proceso en Short Column

Para conocer el nmero de platos requeridos y el plato al cual debera ingresar la alimentacin, para las especificaciones del ejercicio en cuestin, realizamos un anlisis en modo diseo en el cual obtenemos los siguientes resultados:

Ilustracin 16 Especificaciones y resultados de diseo del separador Short ColumnComo se puede observar en la Ilustracin 16 para las especificaciones del ejercicio en cuestin se necesita un nmero mnimo de 6,38 etapas, un reflujo mnimo de 1,28 y que la alimentacin entre al plato 5 o 6. Adems el nmero de etapas calculadas para una relacin R/Rmin igual a 2.27 es de 9,12. Con estos valores los resultados en las composiciones de las corrientes son los siguientes:

Ilustracin17 Resultados de las composiciones de las corrientes obtenidas en Short ColumnComo se puede observar en la Ilustracin 8 la composicin de etanol en el destilado no corresponde a la especificada en el ejercicio, esto debido a que mediante la simulacin con el separador Short Column no se puede especificar una composicin en peso deseada en el condensador y en el vaporizador tal como lo indica el ejercicio; realizamos por tanto el anlisis con el separador Tower Plus.

Ilustracin 18 Simulacin del proceso con el separador Tower

Ingresamos entonces las especificaciones necesarias para la ejecucin de separador Tower Plus, es decir el nmero de etapas y el plato de entrada de la alimentacin. Tal como se pudo observar en la Ilustracin 16 para un separador de 10 etapas se obtiene la composicin deseada en el destilado final.

Ilustracin 19 Especificaciones generales del separador Tower PlusDespus de la ejecucin del programa obtuvo que para una separacin en 10 etapas con alimentacin al plato 5 es posible obtener las especificaciones deseadas para las corrientes de salida.

Ilustracin 20 Resultados de las composiciones de las corrientes obtenidos en Tower Plus Column

Los resultados de la energa en el condensador y en el vaporizador se presentan en la Ilustracin 13:

Ilustracin 13 Resultados de las caractersticas del separador Tower Columna) Comparacion de resultados:Tabla 6 Comparacin de resultados del balance de masaMatemticoChemcad

CorrienteFBDBD

Acetona0,90620,00050,96850,00050,9428

Agua0,09370,99950,03150,99950,0571

TOTAL1,001,00001,00001,00001,0000

Flujo msico (kmol/h)208,36188,4620,086175,3220,603

Tabla 7 Comparacin de resultados del balance de energaMatemticoChemcad

QC (kJ/h)3,114,516.523,008,300

QR (kJ/h)3,483,465.563,483,500

Como se puede evidenciar en la Tabla 6 los los resultados obtenidos por chemcad para el balance de masa son coherentes y se aproximan a los resultados obtenidos matematicamente; ademas en la Tabla 7 podemos ver que tambien los resultados obtenidos para el balance energetico se aproximan a los resultados obtenidos matematicamente. Por tanto podemos concluir que la simulacion representa de manera correcta el problema del ejercicio.

DestilacinPgina 1