SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PROPILENGLICOL EN ASPEN HYSYS 3.2
Octubre de 2012
PROCESO ESTUDIADO La reacción estudiada es la de obtención de propilenglicol a partir de óxido de propileno y agua, con una estequiometria de: C 3 H 6 O + H 2 O → C 3 H 8 O 2
Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de propileno al 20% mol La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de Óxido , con una cin!tica de la "orma propileno, C Óxido
r = K C Óxido Óxido ( 1 )
# la constante constante espec$"ica de elocidad elocidad de reacción est& dada por la ecuación ecuación de 'rr(enius de la siguiente "orma 13
K =1.7 x 10 exp
(
−7.5 x 104 RT
)( ) 2
Siendo ), la temperatura en *elin
1) PAQU PAQUET ETE E DE FLUI FLUIDO DO +cuación:
niquac - .deal
/omponentes:
xido de de propileno, agua, propilenglicol
eacción )ipo:
/in!tico
+stequiometria:
xido de propileno agua
3 propilenglicol
4ase: La 4ase para la ecuación cin!tica es la /oncentración5 el /omponente 4ase es el óxido de propileno propileno la "ase de la reacción reacción es Liquido combinado combinado y las unidades unidades 7 7 bases son *gmol6m para la concentración, *gmol6(8m para la elocidad de reacción, y * para temperatura
Parámer!" C#$%#&!" La reacción es irreersible La ecuación cin!tica es la 91, es decir, de orden uno con respecto al xido de propileno y de la ecuación 92, se tiene que el "actor pre8 exponencial es 1;x1017 (81 y la energ$a de actiación es ;6*gmole
PROCESO ESTUDIADO La reacción estudiada es la de obtención de propilenglicol a partir de óxido de propileno y agua, con una estequiometria de: C 3 H 6 O + H 2 O → C 3 H 8 O 2
Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de propileno al 20% mol La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de Óxido , con una cin!tica de la "orma propileno, C Óxido
r = K C Óxido Óxido ( 1 )
# la constante constante espec$"ica de elocidad elocidad de reacción est& dada por la ecuación ecuación de 'rr(enius de la siguiente "orma 13
K =1.7 x 10 exp
(
−7.5 x 104 RT
)( ) 2
Siendo ), la temperatura en *elin
1) PAQU PAQUET ETE E DE FLUI FLUIDO DO +cuación:
niquac - .deal
/omponentes:
xido de de propileno, agua, propilenglicol
eacción )ipo:
/in!tico
+stequiometria:
xido de propileno agua
3 propilenglicol
4ase: La 4ase para la ecuación cin!tica es la /oncentración5 el /omponente 4ase es el óxido de propileno propileno la "ase de la reacción reacción es Liquido combinado combinado y las unidades unidades 7 7 bases son *gmol6m para la concentración, *gmol6(8m para la elocidad de reacción, y * para temperatura
Parámer!" C#$%#&!" La reacción es irreersible La ecuación cin!tica es la 91, es decir, de orden uno con respecto al xido de propileno y de la ecuación 92, se tiene que el "actor pre8 exponencial es 1;x1017 (81 y la energ$a de actiación es ;6*gmole
PROCESO DE SIMULACIÓN A. A&&e"! a' "#m('a! "#m('a!rr A"*e$ A"*e$ HYSYS HYSYS 1 ?ara ?ara esto (acemos (acemos doble doble clic@ clic@ en el acceso acceso direct directo o del programa programa que est& est& en el escri escrito tori rio o de nuest nuestro ro comp comput utado ador, r, o (ace (acemo moss clic clic@@ en inic inicio io y sele selecc ccio iona namos mos,, Pr!+ra Pr!+rama", ma", A"*e$Te& "*e$Te&-, -, A"*e$ E$+#$e E$+#$eer# er#$+ $+ S(#e S(#e , aparecer& & nuestra nuestra primer primera a pantall pantalla a A"*e$ A"*e$ HYSYS, HYSYS, A"*e$ HYSYS HYSYS # aparecer 'S?+A B#S#S, que luce as$:
+s muy coneniente "i>ar el sistema de unidades con que se a a traba>ar, para ello es necesario: 2 .r a la la barra barra de menC menCss y (acer (acer clic clic@@ en T!!'", luego en Preere$&e", donde accederemos a una pantalla con arias pestaDas de con"iguración
7 Bacemos clic@ sobre la pestaDa /ar#a0'e", obserando los sistemas de unidades cargados predeterminadamente en el programa y escogemos el que nos conenga, en nuestro caso, seleccionamos el de Sistema .nternacional SI), y cerramos la entana
Ei>ado el sistema de unidades adecuado, tenemos que especi"icar los componentes, paquetes de propiedades y reacción a utilizar, para esto es necesario abrir una nuea simulación = +sto se puede (acer de 7 "ormas di"erentes: •
Seleccionamos F#'e,Ne,Ca"e
•
?resionamos Cr'N
•
Bacemos clic@ en Ne Ca"e, en la barra de (erramientas
/on cualquiera de estas "ormas se abrir& la pantalla S#m('a#!$ 4a"#" Ma$a+er , donde se especi"icaran todos los componentes y propiedades a utilizar
4. A+re+a$! '!" &!m*!$e$e" 1 Se selecciona la pestaDa C!m*!$e$", y (acemos clic@ en el botón A
2 Se abrir& la entana C!m*!$e$ '#" /#e, donde encontraremos la lista de todos los compuestos disponibles en B#S#S
7 Seleccionamos los componentes deseados para la simulación, xido de propileno, agua y propilenglicol +stos los podemos buscar de acuerdo a 7 criterios: a S#m Name 9Aombre en el simulador b F('' Name 9Aombre completo c. F!rm('a Seleccionando la opción deseada y escribiendo en el casillero al lado de Ma&-, el so"tFare buscara el compuesto en su base de datos = Localizado los componentes deseados, podemos (acer doble clic@ sobre !l o bien sobre el botón A P(re para agregarlo en la lista de componentes de la simulación
'l "ondo de la p&gina de componentes, podemos darle un nombre a la lista, en nuestro caso ser& C!m*!$e$ L#"51. < na ez completado, cerramos simplemente la entana y esto nos lleara de regreso a la entana S#m('a#!$ 4a"#" Ma$a+er.
C. Se'e&&#!$a$! e' *a6(ee e '(#!"
Seleccionada la lista de componentes, nos queda escoger un paquete de "luidos adecuado para que el simulador determine las propiedades termodin&micas y de transporte de los componentes y mezclas que se "ormen de la simulación 1 Seleccionamos la pestana F'(# P7+" en el S#m('a#!$ 4a"#" Ma$a+er
2 /liqueamos en el botón A para crear un paquete de "luidos nueo como se muestra
' partir de la lista de paquetes de "luidos, seleccionar el paquete termodin&mico deseado, en nuestro caso seleccionamos por medio de un clic@ el paquete UNIQUAC. # en la p&gina Pr!*er8 Pa&7a+e F#'er" seleccionamos A	#8 M!e'" Gue se utiliza como un "iltro para reducir el seleccionado ?odemos nombrar el paquete de "luidos al "ondo de la pantalla, en nuestro caso es 4asis81 7 '(ora amos a la pestaDa 4inary /oe""s, y aparecen algunos coe"icientes binarios sin calcular 9guiones de color ro>o, entonces, presionamos el botón n@noFns only y c&lculo los coe"icientes binarios de interacción
= Einalmente, cerramos la entana Eluid ?ac@age 4asis81
D. DEFINICIÓN DE LA REACCIÓN QU:MICA 1 He uelta en la entana S#m('a#!$ 4a"#" Ma$a+er amos a la p&gina Rea&#!$".
+n la entana S#m('a#!$ 4a"#" Ma$a+er en la pestaDa Rea&#!$" (abr&n aparecido los componentes adicionados dentro de la sección R;$ C!m*!$e$" 2 Se pulsa a(ora sobre el botón A R;$, para aDadir la reacción
'parece la entana Rea&#!$"< donde seleccionamos =#$e#&< por ser una reacción de tipo cin!tico
7 Se agregan los componentes de la reacción seleccion&ndolos de la lista desplegable en el campo superior de la pantalla y aparecen los pesos moleculares de cada componente
= /ompletamos los coe"icientes estequiom!tricos que "altan, recordando que se debemos colocar alores negatios para los reactios y positios para los productos y eri"icamos que el campo denominado 4a'a$&e Err!r sea igual a cero5 los órdenes de reacción aparecen autom&ticamente, y son iguales a los coe"icientes estequiom!tricos, adem&s lo podemos modi"icar, de (ec(o el orden respecto del agua es cero
< ?asamos a la p&gina 4a"#" donde seleccionaremos M!'ar C!$&$ I # en 4a"e C!m*!$e$ colocaremos 12C3O;#e seleccion&ndolo de la lista desplegable del campo superior
; +n el campo R;$ P-a"e seleccionamos C!m0#$e L#6(# Hebemos tener en cuenta las unidades de las elocidades de reacción y de la base, y que
son las que determinar&n las unidades de la constante de elocidad en la ecuación de 'rr(enius
>. ?asamos a la p&gina Parameer" e introducimos los alores de los par&metros de la reacción con las unidades respectias ?ara el caso de E< e" 1.?e13 8 *ara A e" ?.@e =B,=+m!'e.
na ez introducidos todos los datos el cartel en ro>o N! Rea8 cambiar& por el de Rea8 +n color erde, indic&ndonos que B#S#S ya cuenta con datos su"icientes para la reacción elegida
J La reacción que (emos de"inido se encuentra dentro del grupo de reacciones denominado G'!0a' R;$ Se, y es necesario adicionarlo al paquete de propiedades que (emos de"inido, para ello amos a la p&gina Rea&#!$" y pulsamos sobre el botón A ! FP
10'parece la entana A G'!0a' R;$ Se, aqu$ seleccionamos el paquete 4a"#"51 NC53 PPUNIQUAC
11 /uando se coloree de azul pulsamos sobre el botón A Se !F'(# Pa&7a+e # la palabra 4a"#"51 aparecer& en el recuadro A""!&. F'(# P7+".
Basta aqu$ (emos de"inido las bases de la obtención del propilenglicol 12 '(ora (acemos clic@ sobre el botón E$er S#m('a#!$ E$9#r!$me$ y entraremos en el entorno de simulación
E. ENTORNO DE SIMULACIÓN '(ora He"inimos las corrientes de alimentación
1. +n el entorno de simulación, entraremos en la entana correspondiente al !r70!!7 y de"iniremos en primer lugar las corrientes de alimentación, posicion&ndonos en la celda Ne y aDadiendo adem&s del nombre los datos que se (an indicado al principio
2.
+n la pestaDa C!m*!"##!$" se aDaden las composiciones de las corrientes, con lo cual quedan de"inidas completamente las alimentaciones al mezclador y en consecuencia se calcularan el resto de sus propiedades mediante un "las(
F. AADIR LA OPERACIÓN UNITARIA MIER.
1. +n la entana !r70!!7 J Ca"e Ma#$), buscamos la pestaDa U$# O*" y procedemos a aDadir la operación unitaria M#;er , para lo cual pulsamos sobre el botón A U$#O*
2. 'parecer& una nuea entana en la cual podremos seleccionar la unidad M#;er.
3. ?ulsando sobre el botón A aparecer& el "ormulario de entrada de datos del M#;er +n !l indicaremos los nombres de las corrientes de alimentación y de salida
. +stos datos son su"icientes para llear a cabo los c&lculos necesarios para determinar las propiedades de la corriente de salida del M#;er.
< /erramos las entanas abiertas y eri"icamos que todas las corrientes coner>an
G. AADIR LA OPERACIÓN REACTOR CSTR 1 'l igual que se (icimos con el M#;er , aDadimos el reactor CSTR
2 +n la p&gina de conexiones aDadimos los nombres de las corrientes correspondientes como (icimos en el M#;er
7 +n la p&gina de Parameer" se introduce el olumen del reactor, ;J2J m7, el niel de l$quido en el reactor y se selecciona C!!'#$+, la reacción es exot!rmica y por tanto es preciso re"rigerar el reactor
= +n la pestaDa Rea&#!$" (ay que asignar un con>unto de reacciones al reactor Se abre el menC desplegable de la celda Rea&#!$ Se y se selecciona G'!0a' R;$ Se, con lo que aparecer& el cartel amarillo indicando que est& sin especi"icar el "lu>o de energ$a en el reactor +sto es debido a que el reactor tiene un grado de libertad +n este punto (ay que especi"icar o la temperatura de la corriente de salida 9en cuyo caso B#S#S calcular& el "lu>o de energ$a o bien el "lu>o de energ$a en el reactor
< +n principio amos a suponer que el reactor opera de "orma isot!rmica, de manera que en la pestaDa !r7"-ee especi"icamos 27KJ / para la corriente de salida del reactor B#S#S calcular& el proceso Ao (ay cambio de "ase en el reactor ba>o condiciones isot!rmicas por lo que el "lu>o de la corriente de apor es cero
I ' continuación amos a examinar la conersión alcanzada en el reactor ?ara ello nos dirigimos a la pestaDa Rea&#!$" del reactor y seleccionamos
la p&gina Re"('", con lo que eremos que la conersión es muy ba>a =07 %
; ?ara aumentar la conersión entorno al K<8J< % se tiene que aumentar la temperatura del mismo, de manera que amos aumentar la temperatura de la salida del reactor (asta conersión aproximada del J< %
Meremos cómo a I0 / la conersión es del J=; %
K /erramos las entanas abiertas y eri"icamos que todas las corrientes coner>an
H. AADIR LA COLUMNA DE DESTILACIÓN 1 B#S#S dispone de una serie de plantillas de columna preconstruidas que se pueden instalar y personalizar cambiando las corrientes de conexión, el nCmero de etapas y las especi"icaciones por de"ecto +ntre !stas se
encuentra la columna de destilación, que aDadiremos de la misma "orma que (icimos con el resto de operaciones unitarias
2 /uando se instalan columnas preconstruidas B#S#S proporciona cierta in"ormación por de"ecto, como por e>emplo 10 etapas en la columna, m&s condensador y m&s calder$n
7 +n la primera pantalla (ay que especi"icar el nCmero de etapas, las corrientes de alimentación y de salida, plato de las alimentaciones, y si el condensador es total o parcial
= 'l pulsar sobre el botón Ne; , que solamente est& actio cuando se (an introducido todos los datos necesarios, aparece otro "ormulario donde (ay que especi"icar el per"il de presiones en la columna a tra!s de las presiones en el condensador y calder$n
< La siguiente pantalla corresponde a opciones de estimación que no son necesarias
I La siguiente p&gina es la "inal y corresponde a las especi"icaciones ?ara una columna con condensador parcial, de"inidas las alimentaciones y "i>ados el nCmero de platos, y per"il de presiones, quedan tres grados de libertad, y en consecuencia son necesarias tres especi"icaciones que B#S#S "i>a por de"ecto en "lu>o molar de l$quido y apor en cabezas, y
relación de re"lu>o +stas especi"icaciones se pueden posteriormente cambiar y adaptar a nuestras condiciones
; saremos 00 lbmol6( para el "lu>o de apor en cabezas 9/a*!(r Rae, y 10 para la relación de re"lu>o 9 Re'(; Ra#!, de>ando sin alor el "lu>o de l$quido en cabezas 9 L#6(# Rae
K ?ulsando en el botón D!$e aparecer& el "ormulario de propiedades de la columna
J 'ccediendo a la p&gina M!$#!r , podremos er que el nCmero de grados de libertad es cero, pero tambi!n que una de las especi"icaciones 9el "lu>o molar de l$quido en cabezas no tiene asignado ningCn alor Kem*8).
10Mamos a aDadir una nuea especi"icación, se pulsa sobre el botón A S*e& y se abrir& una nuea entana de especi"icaciones
11 Honde podemos elegir C!'(m$ C!m*!$e$ Fra&#!$, despu!s pulsamos sobre A S*e&9s
12 /on lo que aparecer& la entana C!m* Fra& S*e& C!m* Fra
17 '(ora editando el nombre de la especi"icación lo cambiamos a H2O Fra&#!$, seleccionamos la etapa Re0!#'er , le asignamos el alor 000<, y especi"icamos como componente H2O
1= ?ulsamos el botón C'!"e para oler a la ista de propiedades de la columna La nuea especi"icación aparece en la lista C!'(m$ S*e&##&a#!$" Se desactia la especi"icación de "lu>o de l$quido en
