Aspen Distill Juan Camilo Bejarano1, Juan José Pardo 2 Universidad Nacional de Colombia – Sede Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Modelamiento y Simulación de Procesos Químicos
Resumen Con la herramienta Aspen Distill se puede obtener una mayor aproximación al funcionamiento real de columnas de destilación, así como los equilibrios y los parámetros que esta puede Palabras clave: Destilación, Destilación Extractiva, Aspen Distill, Diseño de columnas de destilación.
Received: April 11, 2018
existe dos salidas, cada una con la concentración de los vapores y líquidos que originan el intercambio de fase. (Treybal, 1970) Las operaciones de separación han sido de gran interés para los ingenieros químicos, llegando a ser el primero de los paradigmas de esta disciplina (Álvarez-Borroto (Álvarez-Borroto & Stahl, 2017). Estos se basan en la separación de mezclas de uno o más compuestos gracias a las propiedades de intercambio de masa, de m odo más específico para la destilación, debido a las diferencias de volatilidad de las sustancias que componen la mezcla, así como su interacción de equilibrio líquido-vapor. La destilación, de manera general, es una operación de separación homogénea la cual usa la condensación y la evaporación de la misma sustancia a separar para lograr el intercambio de masa por contacto en etapas (platos). Presenta varias formas de operación, dependiendo de las propiedades de mezcla de los compuestos a destilar, como la destilación a presión reducida (cuando las condiciones de presión atmosféricas interfieren con la separación), la destilación extractiva (adición de componente de separación para ayuda a sustancias que pr esentan azeótropos), destilación reactiva (donde, a determinadas condiciones, los componentes entrantes reaccionan entre sí, separando además sus diferentes productos), entre otras.
= + ∗ , = ∗ , + ∗ , ∗ + = ∗ + ∗ +
Ecuación 1. Ecuaciones balance general en la destilación
La herramienta Aspen Distill (presente en la versión de Aspen Tech 2004 como un “ Conceptual Design Tool” de Aspen HYSYS)
presenta una aproximación sobre el funcionamiento de un arreglo de columnas de destilación más exacta que la lograda en los sistemas de destilación de Aspen Plus y Aspen Asp en HYSYS, siendo base para éstos últimos en procesos mayores.
Principios de destilación.
La destilación a nivel industrial se realiza en columnas, como la observada en la figura 1, en la cual un alimento de mezcla homogénea entra en el quipo, entrando en contacto con un líquido (proveniente de la misma mezcla, con una un a concentración de volátil más elevada) y un vapor (proveniente de la misma mezcla, esta vez con un vapor con una mayor concentración de no-volátil), a través de distintas etapas de purificación dentro del equipo; de modo que 1 2
Juan Camilo Bejarano Ariza Juan José Pardo Saray
Figura 1. Diagrama básico de torre de destilación de platos
Si bien la ecuación 1 describe de modo general el sistema de entradas y salida, los cambios de concentración entre etapas se detallan con distintos métodos de cálculo Método de McCabe-Thiele.
El comportamiento de cada una de las etapas de separación presentes en la columna de destilación se puede observar en el método de McCabe – Thiele, Thiele, en el que, con varias aproximaciones (entalpías de vaporización de sustancias mezcladas similares, sin intercambio de calor entre las mismas etapas, entre otras), per-
[email protected] [email protected]
1
ASPEN DISTILL
mite ver de manera gráfica, sobre el diagrama de distribución líquido – vapor, las operaciones de transferencia de masa en cada etapa, así como la calidad de la corriente de entrada. La figura 2 muestra las composiciones de entrada, destilado y residuo, así como las líneas de operación de las zonas de rectificación y agotamiento.
Figura 4. Selección de sustancias
Figura 2. Representación gráfica del Método McCabe Thiele para Destilación
Figura 5. Coeficientes binarios de sistema a destilar
Lo primero que se debe hacer es elegir las sustancias a separar (en este caso se incluye el agente extractor), así como el paquete termodinámico utilizado para cada fase. Los coeficientes binarios para el sistema, calculados con las ecuaciones de estado escogidas, se muestra en la misma interfaz (aunque sólo los componentes a ij y cij).
Ahora se explorará por las distintas opciones de cálculo que tiene el programa (Teh, Brenner, Gierer, & Sternon, 2001): Thermodynamic Workbench Manager El módulo de “Thermodynamic Workbench Manager” es una herra-
mienta usada para el análisis termodinámico de las sustancias selecciónadas en paquete de fluidos. Esta herramienta se encuentra en la barra de tareas y cuenta con las opciones mostradas en la figura 6.
Figura 3. Selección de paquetes para líquido y vapor en Aspen Distill 2004
Figura 6. Ubicación de “Thermodynamic Workbench Manager” y sus opciones de análisis Phase Equilibrium
Esta herramienta sirve para el análisis de las fases de equilibrio y genera graficas de equilibrio binario XY, TbY, K-Value, Relative Volatility, Activity Coefficient, Fugacity Coefficient, Enthalpy, Entropy, Molar Density, Viscosity, Thermal Conductivity y Surface Tensión. Estas propiedades se pueden calcular a presión constante, temperatura constante o ambas establecidas como una especificación de usuario Figura 7.
2
AUTHOR 1, AUTHOR 2
Figura 9. Ejemplo de cálculo de Conductividad Térmica del gas Figura 7. Panel de control de Phase Equilibrium
Estos datos también son posibles ser calculados en aspen plus usando el mismo paquete “UNIQUAC -Gas Ideal” como se puede observar en la figura 8 Las gráficas son prácticamente las mismas. .
Figura 8. Gráficas de temperatura de burbuja contra fracción molar de aguas. Calculadas en Aspen Distill (izquierda) y por Aspen Plus (derecha) Pure Component Regression
Esta opción da la oportunidad de obtener regresiones de las propiedades de cada uno de los compones, generando una ecuación y constantes para la predicción de una propiedad en un rango de temperaturas que el simulador especifica en el área de Shapes sobre el mismo panel de control.
Figura 10. Panel de control de Pure Component Regression Azeotropic Separation Manager
En separaciones limitadas por azeótropos pueden ser simuladas por Distil y su herramienta “Azeotropic Separation Manager” . Donde se pueden encontrar los el análisis de los azeótropos en un rango de presiones, el mapa de curvas residuales, el diagrama de la región de destilación, diseño de una columna de destilación o destilación extractiva, una secuencia de columnas azeotrópicas y un generador de Split; las cuales serán explicados más adelantes. Además, con ayuda del “Thermodynamic Workbench Manager” resulta evidente la presencia de un azeótropo en la mezcla; por ello se propone el uso de Etilenglicol como solvente extractor para lograr etanol anhídrido del 99%.
3
ASPEN DISTILL
Al igual que Compositions, la pestaña del Boiling Points muestra características de los azeótropos en este caso su temperatura de ebullición para cada sistema. Es relevante mencionar que esta pestaña también arroja las temperaturas de burbuja de los componentes puros; y combina para reportar la información de los sistemas puros y de lo azeótropos.
Figura 11. Ubicación de “Azeotropic Separation Manager” y sus opciones de análisis Azeotropic Analysis
El análisis de azeótropos es una opción útil para encontrar los pr oblemas de separación de la mezcla binaria. En la pestaña de Setup encontramos la selección del paquete de fluidos donde generalmente se señalan la mezcla binaria con problemas de azeotrópicos, en la figura 12. Se seleccionan los 3 componentes lo cual no interfiere con el cálculo establecido para un rango de presiones 10-30 psia.
Figura 14. Temperatura de burbuja de los azeótropos de la mezcla en presiones entre 10 y 30 psia Residual Curve Map
Distil también es capaz de generar el grafico de curvas residuales, señalando las temperaturas y concentraciones de los azeótropos y de las sustancias puras; dando la posibilidad de tener el grafico equilátero o rectángulo.
Figura 12. Panel de Control de Azeotropic Analysis, pestaña Setup
Especificado los componentes y el rango de análisis el simulador puede ejecutarse; la figura 13. Muestra la pestaña de Compositions, la cual arroja la concentración de los distintos azeótropos y entre que componentes se forman en el rango de presiones.
Figura 15. Mapa de Curvas Residuales Sistema Etanol – Agua – Glicerol Column Design
Figura 13. Composiciones de los azeótropos de etanol – agua en presiones entre 10 y 30 psia.
4
La opción del diseño de la columna es el módulo de cálculo de una torre de destilación donde se cuentan con 6 pestañas en el panel de control. El Setup sirve como entrada para la elección de paquete termodinámico y se compuestos, también es aquí donde se establece la presión de trabajo de la torre.
AUTHOR 1, AUTHOR 2
Figura 16. Opciones de Setup de Column Design. Opciones de presión (izquierda) y selección de paquete termodinámico (derecha)
En configuration se puede seleccionar el tipo de entrada; doble para 3 componentes con el objetivo de simular una extracción y una sola entrada para una torre simple de destilación. Lo más importante para la simulación de la columna se encuentra en la pestaña de Spec Entry, en la que se debe especificar las composiciones del alimento como de los productos y el reflujo. El Spec Entry es la parte vital de la simulación debido a que datos invalidados termodinámicamente harán que el simulador no converja a ningún resultado.
Figura 19. Gráfica y vs. x de la columna de destilación agua – etanol Azeotropic Column Sequencing
Uno de los módulos más importantes de Distil es el “Azeotropic Column Sequencing”. Es una herramienta para el diseño de series etapas de destilación extractiva. La simulación solamente necesita la composición del alimento y las presiones en la etapa, para que Distil genere un abanico de posibilidades de la separación. En la figura 20. Observamos que en la pestaña del Setup ingresamos las especificaciones de usuario y del método numérico para la solución del equipo.
Figura 17. Spec Entry con especificaciones de entrada
El Summary es la opción donde Distil registra los resultados simulados del número de platos, el plato del ingreso del alimento, los reflujos en el condensador y el re-hervidor.
Figura 20. Panel de control de Azeotropic Column Sequencing
Al correr el programa con las especificaciones nos arrojara posibles diseños para la separación, en este caso encontramos las figuras 21, 22 y 23 encontramos trenes de separación que cumplen con productos de 99% etanol.
Figura 18. Sumario de resultados de simulación
Column Design también arroja graficas de McCabe-Thiele donde se muestran las líneas de operación, el equilibrio y las etapas de separación mostrando un evidente azeótropo por encima de 0.85 de etanol.
5
ASPEN DISTILL
Bibliografía
Álvarez-Borroto, R., & Stahl, U. (2017). Los paradiggmas de la Ingeniería Química: La nueva frontera. Recuperado el 11 de
Figura 21. Posibilidad de diseño 1
Figura 22. Posibilidad de diseño 2
Figura 23. Posibilidad de diseño 3
Pese a ser una herramienta obsoleta para los programas de Aspen Tech (pues la última versión disponible es la del 2004, en años posteriores se integró a los simuladores Aspen Plus y Aspen HYSYS), éste presenta una gran variedad de opciones qu e el ingeniero químico debe tener presente a la hora de diseñar y/o evaluar el funcionamiento de un sistema de destilación, así como puede ser tomado como base para la evaluación de una destilación presente en un proceso mayor ya simulado en alguno de los programas mencionados anteriormente.
6
Abril de 2018, de Educación Química: https://ac.elscdn.com/S0187893X17300629/1-s2.0S0187893X17300629main.pdf?_tid=758b203c-3669-40b8 bebf546641f982ab&acdnat=1523420422_12b 9d0d3e2fad6357570824850339059 Teh, A., Brenner, S.-J., Gierer, C., & Sternon, Y. (2001). Distil. Recuperado el 11 de Abril de 2018, de Hyprotech: http://www.cadfamily.com/download pdf/Hydrotech/Distill.Get.Started.pdf Treybal, R. E. (1970). Operaciones de Transferencia de Masa (Segunda ed.). McGraw-Hill.
