SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE OBTENCIÓN DE ACETATO DE METILO EN ASPEN PLUS Ayuquina Miryam1, Jaramillo Francisco 2, Pilamala Jonnathan 3, Satán Nataly 4 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Escuela de Ingeniería Química Catedra: Computación Aplicada 2017-05-20
Resumen Se llevó a cabo la utilización del programa de Aspen Plus para el balance de masa en un destilador. El proceso tuvo como objetivo obtener acetato de metilo a partir de una alimentación que consistía en una mezcla de metanol y ácido acético. Los parámetros para correr el programa de Aspen Plus fueron proporcionados por una fuente bibliográfica. Los datos que más importancia tenían para dicho análisis son los datos de entrada como el flujo másico de los componentes de la alimentación 4905 Kg/h de la mezcla de metanol y ácido acético, respectivas temperaturas como la del flujo de alimentación correspondiente correspondiente a 333 K y presiones a la entrada del sistema de 0,987 atm, además de las fracciones másicas que son necesarias para dicho análisis. Cabe resaltar que los datos proporcionados recientemente son de la entrada al destilador y que en parte son los que más nos interesan ya que aquí es donde se hace énfasis para el balance de masa. Una vez introducidos los datos en el programa se realiza el diseño del destilador que este corresponderá a una destilación RADFRAC, luego se procede a correrlo o hacerlo funcionar, una vez obtenidos los resultados los cuales indican que en el destilado existe una fracción másica de 0,88 de acetato de metilo que es el producto que nos interesa saber que tan eficiente es en dicho sistema, se termina la simulación en el programa de ASPEN PLUS y se procede al análisis de los resultados en la discusión.
Palabras claves: Destilación, alimentación, temperatura, mezcla, RadFrac. Abstract: The use of the Aspen Plus program for mass balance was carried out in a distiller. The purpose of the process was to obtain methyl acetate from a feed consisting of a mixture of methanol and acetic acid. The parameters for running the Aspen Plus program were provided by a bibliographic source. The most important data for this analysis are the input data as the mass flow of the feed components 4905 Kg / h of the mixture of methanol and acetic acid, respective temperatures as that of the feed flow corresponding to 333 K and Pressures at the entrance
of the system of 0.987 atm. In addition to the mass fractions that are necessary for this analysis. It should be noted that the data recently provided are from the entrance to the distiller and that in part are the ones that interest us most since this is where emphasis is placed on mass balance. Once the data has been entered into the program, the design of the distiller is carried out, which will correspond to a RADFRAC distillation, then run or run it, once the results have been obtained which indicate that there is a mass fraction of 0.88 in the distillate of methyl acetate which is the product that interests us to know how efficient it is in such a system, the simulation is completed in the ASPEN PLUS program and the results are analyzed in the discussion Keywords: distillation, material streams, temperature, mixture, RadFrac.
1. Introducción: El presente trabajo tiene como objetivo llevar a cabo una simulación mediante ASPEN PLUS de un proceso de destilación reactiva para la producción de acetato de metilo. La destilación reactiva es un proceso acompañado de una reacción química. Existen reacciones catalíticas y no catalíticas, dentro de las reacciones catalíticas existen homogéneas, si la reacción se lleva en una sola fase o estado, estos pueden ser sólido, líquido o gaseoso, y heterogéneas, donde los reactivos pueden estar en distintas fases o en combinación de ellas. Este método de destilación reactiva puede tener algunas aplicaciones tales como: una separación de una mezcla de punto de ebullición próximo o una mezcla azeotrópica. También ayuda a evitar la aparición de reacciones indeseadas durante la destilación. Adicionalmente combina la reacción química y separación por destilación dentro de un mismo aparato. La destilación reactiva es una buena alternativa cuando la reacción química ocurre en fase liquida. También cuando el rango de presiones y temperaturas coinciden tanto en la reacción como en la destilación. Finalmente cuando la reacción está limitada por el equilibrio. Algunas ventajas de este método son: una simplificación o eliminación de las secuencias de separación, mejora de la conversión, mejora de la selectividad, reducción de la cantidad de catalizador requerido, reducción en la formación de azeotropos, reducción de las reacciones secundarias, reducción en la formación de puntos calientes y caminos preferentes, integración energética.
Finalmente algunas desventajas pueden ser: la existencia de restricciones de la volatilidad, un tiempo de residencia requerido para la reacción y el proceso del escaldado para inactivar algunas enzimas que afectan algunas propiedades fisicoquímicas. (Leiva Lenis F et al, 2004)
Objetivo Objetivo General:
Aprender el uso de herramientas informáticas para sintetizar el trabajo que conlleva los cálculos en cualquier proceso industrial.
Objetivos Específicos:
Aprender el uso del simulador de procesos industriales Aspen Plus.
Simular la producción de acetato de etilo a partir de ácido y metanol.
Interpretar los resultados obtenidos mediante la simulación de este proceso industrial
Obtener resultados veraces y confiables para asegurar la eficiencia del proceso.
Área de estudio 2. Metodología La simulación de elaboración de acetato de metilo en Aspen Plus requiere de información básica, es decir, tener conocimiento sobre el proceso e importantes condiciones de entrada a la cual opera el sistema. Los datos disponibles atraviesan una etapa de verificación para posteriormente procesarla. En la figura 1 se describe el proceso la cual se siguió para conseguir una correcta simulación evitando que el software presente errores que evite su ejercitación o la obtención de resultados erróneos.
Figura1. Proceso realizado en Aspen Plus 2.1.
Datos de entrada al modelo
El sistema consta de un reactor REquil, mezclador y una columna RadFrac. Estos están conectados entre sí por medio de material streams o corrientes de masa, como se muestra en la figura2
F igura 2. Diseño del sistema de producción de acetato de metilo en Aspen Plus
Los componentes hace referencia a los elementos químicos que van a estar presente en el sistema. Para este proyecto tenemos la presencia de metanol, ácido acético, acetato y agua.
2.2.Aplicación del modelo termodinámico NRTL Aspen tiene cuatro tipos principales de métodos de propiedad: Ideal, Ecuación de estado, Coeficiente de actividad y Sistemas especiales (Calle, 2016). El modelo que rige un proceso químico consiste en un conjunto de ecuaciones que caracterizan el comportamiento de las operaciones unitarias que lo componen. Estas ecuaciones contienen términos relacionados con las propiedades físicas y termodinámicas de las sustancias y/o mezclas de las corrientes del proceso. (Godoy, Rodríguez, & Scenna, 2008) El modelo termodinámico Non Random Two Liquid (NRTL) es similar al método Wilson, aplicable a sistemas multicomponentes del tipo vapor-líquido, líquido-líquido, y vapor-líquido-líquido. Se fundamenta en una teoría de dos fluidos, en la una mezcla binaria se considera que está rodeado de moléculas de ambos tipos en determinadas proporciones (Mateus, 2013). Consta de parámetro binarios αij que caracteriza la tendencia de las especies i y j a distribuirse de una manera no azarosa, esto es, con direcciones preferenciales. La diferencia básica entre el sustento de la ecuación de Wilson y la NRTL reside en que la primera se basa en una fracción de volumen para expresar la concentración local, mientras que, la ecuación NRTL se basa en una fracción molar de la especie considerada (Godoy, Rodríguez, & Scenna, 2008).
2.3. Introducción de datos y condiciones del sistema Los datos usados en este proyecto están basados en información propuesta por un curso de Modelización y Simulación de procesos químicos (DIQUIMA, 2010). Hay tres opciones las cuales se debe proporcionar la información apropiada para que el software corra adecuadamente, estos son: el setup, stream y blocks. Al culminar esta acción el programa automáticamente proporciona los resultados acorde a la información proporcionada. En el Setup es donde se da el nombre a la simulación y es sumamente importante llenar el accounting ya que sin este dato el programa no se ejecuta. Stream es la representación de las líneas de alimentación o salida de las corrientes en el sistema, como se indica en la figura 2. Para este proceso solo se requiere información de la línea de entrada. Caudal de 50kmol/h de metanol y 55kmol/h de ácido acético a una temperatura de 55ºC y1bar.
F igura 3. Ventana de especificación de Stream MA
Bloks son los dispositivos involucrados en el procesos, es necesario establecer las condiciones a las que van a operar. En el reactor se establece la reacción que se realizara a 1bar y 60ºC
F igura 4. Ventana de especificaciones del reactor (B1)
,
F igura 5. Reacción en el reactor (B1)
El mezclador opera a 1 bar
F igura 5. Ventana de especificación en el mezclador (B2)
En el RadFrac o destilador se asigna un número de platos de 25 con una condensación total, un reflujo de 2.2, la alimentación se da en el plato 12 con caudal de 45kmol/h de destilación.
F igura 6. Ventana de especificación del destilador (B3)
F igura 7. Numero de plato de la alimentación
F igura 8.Presión en el destilador
3. Resultados y discusión 4. Conclusiones Hoy en día existen una gran gama de herramientas informáticas que facilitan la vida de quienes hacen ingeniería en una industria. Lo importante del uso de esta clase de software es que acortan el tiempo en el que se realiza determinado cálculo de ingeniería, además nos permiten con un simple cambio de condiciones un cálculo totalmente distinto en un mismo proceso. Una vez instalado el software de Aspen Plus, el primer paso que se siguió es revisar la información que provee por si solo este software, sus instrucciones generales de uso e iconos, los cuales son de suma importancia para el uso de cualquier herramienta informática. Después de conocer las principales características de Aspen Plus, se procedió a la simulación de la producción de acetato de etilo a partir de una corriente de 50kmol/h de metanol y 55kmol/h de ácido acético, conociendo además que la temperatura a la que ingresan al reactor es de 50°C, las condiciones del mezclador son 1bar de presión, y de la columna de destilación se conoce que contiene 25 platos, un reflujo de 2.2, un caudal de 45kmol/h, la alimentación ingresa por el plato 12 y la presión del plato 1 es de 1bar. Es así que tras introducir estos datos se han obtenido resultados, los mismos que se detallan en su respectiva tabla. Pudimos determinar que las variables introducidas son las adecuadas al proceso, esto se evidencio mediante la ejecución de la simulación, caso contrario la misma no se hubiera ejecutado. Una de las características que sobresalen en la utilización de software es que estos proveen datos suficientemente confiables para su aplicación en la vida profesional de ingeniería, por otro lado aunque el desarrollo de los cálculos de manera analítica por parte de un ingeniero son muy buenos, siempre podemos anclarnos de herramientas para hacer nuestra vida más fácil.
Referencias Calle, E. (Febrero de 2016). Metodos termodinamicos Aspen Plus. Recuperado el 18 de Mayo de 2017, de http://simulacionprocesosindustriales.blogspot.com/2016/02/metodostermodinamicos-aspen-plus.html
DIQUIMA. (2010). PROYECTO PRODUCCIÓN DE ACETATO DE METILO. Recuperado el 17 de 05 de 2017, de http://www.diquima.upm.es/old_diquima/docencia/modysim2000/docs/proyecto _intro_acetato.pdf Godoy, S., Rodríguez, N., & Scenna, N. (2008). Propiedades Termodinámicas de Equilibrio. Recuperado el 18 de Mayo de 2017, de http://www.modeladoeningenieria.edu.ar/mei/repositorio/catedras/intIV/apuntes/ apunte_prop_termodinamicas.pdf Mateus, I. (3 de Noviembre de 2013). NRTL. Recuperado el 18 de Mayo de 2017, de https://prezi.com/4qcm6ifv5-l8/nrtl/ Leiva Lenis, F., Orjuela Londoño, Á., Mendivelso, B., Rodríguez Niño, G., & Carballo Suárez, L. M. Reacciones de esterificación por el método de destilación catalítica (producción de n-pentil acetato). Ingeniería e Investigación; Vol. 24, núm. 2 (2004):(55); 22-26 Ingeniería e Investigación; Vol. 24, núm. 2 (2004):(55); 22-26 2248-8723 0120-5609.
