Trabajo SuperPro Producción de Hidróxido de Sodio
Análisis de procesos químicos Departamento de ingeniería química y ambiental – UTFSM
Profesor: Daniel Navia Integrantes: Jimena García Andrea Maldonado
Introducción En el presente informe se simula el proceso de producción de hidróxido de sodio a partir de NaCl y H2O mediante el software SuperPro Designer. A través de la simulación se puede predecir el comportamiento de un proceso cuando se alcance un estado estacionario, lo cual facilita el estudio del sistema ante la perturbación de los parámetros y variables de operación. Lo anterior permite optimizar el sistema a través de diversas técnicas.
Desarrollo a) Realice el PFD de la planta de Hidróxido de Sodio en el SuperPro y simule el proceso descrito. Con la información sobre las condiciones de operación de la planta, y los equipos que ahí se describen, es posible ingresarlos al programa, permitiendo que éste simule el sistema y haga un cálculo de balances de masa para cada equipo de acuerdo a las condiciones previamente descritas. Si se hace correr el programa, se puede observar en el detalle de cada corriente que las composiciones de cada componente y tipo de componente que hay en cada corriente coinciden con lo propuesto en el enunciado. Lo primero que se hizo fue definir el sistema como un sistema continuo, luego se escogieron los equipos a utilizar y finalmente se establecieron las condiciones para cada equipo. Las condiciones que hicieron que todo se cumpla fueron: Mezclador: Se seteó para que de acuerdo a la cantidad de cloruro de sodio ingresada (1 [ton/h]) se calculara la cantidad requerida de agua para que la mezcla obtenida esté saturada, es decir, que se cumpla que la mezcla tenga una solubilidad de 36 [g] de sal en 100 [mL] de agua. Celda de electrólisis: Se escogió un reactor del tipo CSTR, se ingresó la reacción que ocurre, y las condiciones de operación: reacción con un rendimiento del 55% (con respecto al reactivo límite), que hay un tiempo de residencia de 30[min] en el reactor y que el volumen utilizado de éste corresponde al 90%. Además de que la reacción es isotérmica y a 20[°C]. 2𝑁𝑎𝐶𝑙 + 2𝐻2 𝑂 → 2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝐻2 + 𝐶𝑙2 Evaporador: Se escogió un evaporador de capa fina de acuerdo a lo establecido en el enunciado, y se ingresaron las condiciones a las cuales es necesario que opere: a una presión de 1[atm], temperatura de 95[°C], un vapor de servicio a 152[°C], coeficiente de transferencia de calor 3000[W/m2K] y que su función sea extraer el 75% del agua que ingresa al evaporador. Decantador: Debido a que del evaporador se cristaliza un porcentaje de cloruro de sodio, la corriente es decantada con el fin de extraer dicho porcentaje, obteniéndose una corriente con alto nivel de sal y la otra con el producto final (solución al 50% de hidróxido de sodio en agua). En la corriente de cloruro de sodio se arrastra el 0,5% de NaOH que ingresa desde el evaporador y un 30% de agua. Con estas condiciones además de las temperaturas en posible definir el funcionamiento del decantador.
Finalmente con todas estas condiciones ingresadas a cada equipo, y definiendo la corriente inicial de hidróxido de sodio, se hace correr el sistema y se obtienen los flujos descritos en la figura 1.
Figura 1: PFD correspodiente a la planta de hidróxido de sodio definida en el enunciado
b) Simule el proceso utilizando 2 evaporadores en serie. ¿Existe alguna diferencia con la pregunta a? • Suponga el mismo U para ambos evaporadores. • El primer evaporador trabaja en el mismo punto de operación que el descrito en la sección 2. El segundo trabaja a 0,8 [atm] y 90 [°C]. • El primer y segundo evaporador separan un 50% y 60% respectivamente de agua. Adicionando otro evaporador de capa fina, y modificando sus condiciones de acuerdo a lo establecido en el enunciado, se simula el sistema nuevamente y se obtiene el diagrama de flujo detallado en la figura 2:
Figura 2: PFD del sistema con dos evaporadores en serie
Como se observa en la figura 2, se obtiene una menor cantidad de solución de hidróxido de sodio (0,67[ton/h]) pero con una composición de 56,2% de NaOH, dependiendo de los requerimientos del sistema, se escoge alguna de las dos opciones. Pero se debe tener en cuenta que al adicionar otro evaporador, hay un mayor gasto de energía (ya que hay un mayor consumo de vapor), además de los costos que implicaría la instalación del equipo. c)
Proponga un método que me permita aumentar la cantidad de Hidróxido de Sodio producido. Utilice el PFD generado en la pregunta a. Utilizando el diagrama descrito en la figura 1, la modificación que es posible realizar con el fin de obtener una mayor cantidad de hidróxido de sodio, es recircular la corriente que se obtiene en el decantador( pobre en hidróxido de sodio y rica en cloruro de sodio), dicha cantidad de hidróxido de sodio puede ser aprovechando haciendo ésta recirculación. Para esto, se adiciona un equipo que mezcle la corriente de cloruro de sodio (1[ton/h]) con la corriente que se recircula del decantador, así, el mezclador previo a la celda de electrólisis vuelve a obtener la cantidad de agua que es necesaria adicionar con el fin de que la mezcla ingrese a la celda en condiciones de saturación. Haciendo esta modificación, se obtiene un flujo de 1,35[ton/h] del producto requerido, el detalle de la modificación se muestra en la figura 3.
Figura 3: PFD correspondiente a la modificación par
