1. Introducción. El desarrollo de modelos de balances de materia y energía es la base para la evaluación de procesos y la toma de decisiones en el diseño de nuevas plantas o modificaciones de las ya existentes. El modelo de un diagrama de flujo comprende un gran conjunto de ecuaciones no lineales que describen: •
Las condiciones de las unidades del proceso mediante corrientes de proceso.
•
Las ecuaciones específicas de cada unidad (leyes de conservación y ecuaciones de diseño específicas)
•
Los datos y relaciones de éstos con las propiedades físicas de las sustancias procesadas
Los cálculos de los datos relacionados con la propiedades físicas de las sustancias de un determinado proceso, se determinan en función a las ecuaciones de estado que vienen incorporado en el simulador y a los datos experimentales que ostenta la base de datos del simulador comercial. El usuario debe determinar en fusión al proceso que desea simular, cuál de las ecuaciones de estado que posee el simulador se adecua más al proceso, con la que obtenga resultados más cercanos a los reales. Hay casos en los que la base de datos del modelo no cuente con información necesaria para simular un proceso, en este caso el usuario debe realizar una búsqueda bibliografía para obtener los datos necesarios, para que la simulación pueda conseguir resultados más cercanos a los reales. En el presente trabajo se realizar la separación binaria de una mezcla que presenta un azeótropo, los compuestos que se quieren separar son: Acetonitrilo y agua ya que estos compuestos presenta un azeótropo, se usara un arrastrador (acetato de etilo) para realizar la separación de estos compuestos. Para realizar la simulación del proceso de separación de dichos compuestos, antes de ingresar a la simulación de dicho procesos se deben validar las propiedades físicas del simulador con la bibliografía que se cuenta. En este caso se usaron los datos del artículo “Ternary liquidliquid and miscible binary Vapor-liquid equilibrium data for the two Systems n-hexane ethanol acetonitrile And water acetonitrile-ethyl acetate”. Luego de validaran estas propiedades propiedades se puede ingresar a la simulación simulación del proceso. Al validar las propiedades físicas del simulador, el modelo contara con la información necesaria para simular el proceso y ob tener resultados más cercanos a los reales.
º
2. Ecuación de estado. Los simuladores cuentan con modelos para determinar las propiedades físicas de los compuestos que se usaron en la simulación. Estos modelos se pueden clasificar como:
a)
Modelo Ideal.
Los modelos son: IDEAL y SYSOPO. Tabla 1. Propiedades de los Modelos Ideales.
Propiedades del Modelo Ideal
Método de valores de K
IDEAL
Ideal Gas, Ley de Raoult, Ley de Henry
SYSOPO
Ideal Gas y Ley de Raoult
b) Modelos de Ecuaciones de Estado (EOS). Los principales modelos son: PengRobinson (PENG-ROB), Redlich Kwong Soave (RK-SOAVE) y PSRK. Tabla 2. Propiedades de los Modelos EOS.
Propiedades del Modelo Ideal
Método de valores de K
PENG-ROB
Peng-Robinson
RK-SOAVE
Redlich-Kwong-Soave
PSRK
Predictive Redlich-Kwong-Soave
c) Modelos de Coeficiente de Actividad (ACM). Los principales modelos son: Non Randon Two Liquid (NRTL), UNIFAC, UNIQUAC, VANLAAR y WILSON. Tabla 3. Propiedades de los Modelos de Coeficiente de Actividad (ACM).
Propiedades de los ACM.
ACM de la Fase Liquida
ACM de la Fase Vapor
NRTL
NRTL
Ideal gas
UNIFAC
UNIFAC
Redlich-Kwong
UNIQUAC
UNIQUAC
Ideal gas
VANLAAR
Van Laar
Ideal gas
WILSON
Wilson
Ideal gas
d) Modelos Especiales. El principal es el Paquete de aminas. Comparación entre los modelos de ecuación de estado y lo modelos de coeficiente de actividad.
º
Tabla 4. Comparación entre los modelos EOS y coeficiente de actividad.
Modelos ecuación de estado.
Modelos de Coeficiente de Actividad
Limitado en la capacidad de representar los líquidos no ideales.
Puede representar líquidos altamente no ideales.
Menos parámetros binarios necesarios.
Muchos parámetros binarios necesarios.
Los parámetros extrapolan razonablemente con la temperatura.
Parámetros binarios son altamente dependiente de la temperatura
Consistente en la región crítica.
Inconsistente en región crítica.
La tabla siguiente muestra los paquetes básicos recomendados en función del tipo de proceso. Tabla 5. Paquetes recomendados en función al tipo de proceso.
Tipo de Proceso Deshidratación de TEG
Paquete Termodinámico recomendado PR
Acuoso ácido
Sour PR
Procesamiento de gas criogénico
PR, PRSV
Separación de aire
PR, PRSV
Torres atmosféricas de crudo
PR y sus variantes, Grayson Streed (GS)
Torres a vacío
PR y sus variantes, GS, Braun K10, Esso
Torres de etileno Sistemas con alto contenido deH2 Reservorios Sistemas de vapor Inhibición de hidratos Productos químicos Alquilación de HF Hidrocarburos-agua (alta solubilidad del agua en HC) Separaciones de hidrocarburos Aromáticos Hidrocarburos sustituidos (cloruro de vinilo, acrilonitrilo) Producción de éter (MTBE, ETBE, teramil metil eter TAME) Plantas de etilbenceno / estireno Producción de ácido tereftálico
Lee Kesler Plocker PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GS PR y sus variantes ASME Steam, Chao Seader, GS PR Modelos de actividad, PRSV PRSV, NRTL Kabadi Danner PR, SRK Wilson, NRTL, UNIQUAC PR, SRK Wilson, NRTL, UNIQUAC PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC (según la tecnología de producción) Wilson, NRTL, UNIQUAC
Planta de amoníaco
PR, SRK
Procesos con aminas
AMINE
Procesos con Polímeros
Polymer Fuente: Honeywell, ASPENTech.
º
El cuadro siguiente resume el modelo de coeficientes de actividad recomendado para distintos tipos de mezclas por la empresa VirtualMaterials, proveedora de paquetes de propiedades para su uso en simulación: Tabla 6. Resumen de los modelos de coeficiente de actividad.
Tipo de mezcla
Modelo recomendable
Compuestos orgánicos con presencia de agua
NRTL
Alcoholes o en mezclas con fenoles
Wilson
Alcoholes, cetonas y éteres
Margules
Hidrocarburos C4 – C18
Wilson
Hidrocarburos aromáticos
Margules
La tabla que sigue se refiere a la aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en distintos sistemas, así como la posibilidad de extender la información disponible a condiciones distintas de las originales: Tabla 7. Aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en distintos sistemas.
Aplicación
Margules
Van Laar
Wilson
NRTL
UNIQUAC
Mezclas binarias
A
A
A
A
A
Mezclas multicomponentes
AL
AL
A
A
A
Sistemas azeotrópicos
A
A
A
A
A
Equilibrio líquido-líquido
A
A
NA
A
A
Sistemas diluidos
?
?
A
A
A
Sistemas autoasociativos
?
?
A
A
A
NA
NA
NA
NA
A
?
?
B
B
B
Polímeros
Extrapolación
Fuente: Honeywell Dónde: A: aplicable NA: no aplicable AL: aplicación limitada ?: cuestionable B: bueno Aspen cuenta con una guía para ayudarnos a elegir el mejor modelo termodinámico. Para simular procesos de separación de mezclas que forman un azeótropo los modelos recomendados son NRTL y UNIQUAC.
º
Figura 1. Guía de orientación para det erminar un paquete termodinámico adecuado.
Como se puede observar en la Tabla 7 y en la Figura 1, los modelos más adecuados para la simulación del proceso de separación son los modelos NRTL y UNIQUAC. Siguiendo la Tabla 6 que muestra un resumen de las recomendaciones de la empresa VirtualMaterials el modelo
adecuado para la simulación del proceso es el modelo NRTL.
3. Mezcla Acetonitrilo - Agua.
Figura 2. Mezcla Acetonitrilo - Agua
º
Figura 3. Azeotropo de la mezcla Acetonitrilo - Agua
Los datos de Aspen se regresionaron en función de los siguientes datos bibliográficos: 1
2
Tabla 8. Datos bibliográficos de la mezcla Acetonitrilo y Agua .
Bibli. Liq.
Bibli. Vap.
X1
º
Y1
P
Coeficiente de
Coefic. De
mmHg
Actividad Ace.
Acetividad Wat
0 0,03 0,0654 0,1127 0,1844 0,253 0,4147
0 0,4209 0,5418 0,5989 0,6355 0,655 0,6732
149,4 254 322,9 367,2 392 401,3 410,9
0,4843 0,594 0,672 0,728 0,7489 0,8004
0,6792 0,6922 0,7111 0,728 0,7354 0,7563
414,1 418,2 420,2 421,7 421,1 419,5
0,8786 0,9471
0,8099 0,8939
1
1
-9,889 7,335 5,310 3,660 2,810 1,801
1 1,009 1,049 1,097 1,157 1,223 1,514
1,567 1,314 1,199
1,699 2,091 2,442
--
-1,114 1,068
2,928 3,380
412 394
1,025 1,006
4,262 5,231
367,9
1
--
Figura 4. Regresión de la mezcla Acetonitrilo - Agua
Figura 5. Regresión del azeotropo de la mezcla Acetonitrilo - Agua
º
4. Mezcla Acetato de etileno – Acetonitrilo.
Figura 6. Mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.
Figura 7. Azeotropo de la mezcla Acetato de etileno - Acet onitrilo.
º
Los datos de Aspen se regresionaron en función de los siguientes datos bibliográficos: 1
2
Tabla 9. Datos bibliográficos de la mezcla Acetato de etileno – Acetonitrilo .
Bio. Liq. X1
Bio. Vap. Y1
P
Coeficiente de
Coefici. De
mmHg
Activiada Ethyl
Activida Aceto
0,0000 0,0487 0,0887 0,1500
0,0000 0,0768 0,1345 0,2101
367,9 380,6 391,2 403
-1,442 1,423 1,353
1 1,002 1,006 1,012
0,2234 0,3089 0,4040 0,4984 0,5735 0,6384 0,6530
0,2906 0,3701 0,4488 0,5276 0,5893 0,6426 0,6530
418,2 428,1 435,6 440,6 440,7 440,9 441
1,302 1,226 1,156 1,114 1,081 1,060
1,030 1,050 1,083 1,115 1,140 1,171
0,7073 0,7779 0,8410 0,8963 0,9593
0,6977 0,7592 0,8208 0,8764 0,9483
440,4 438,1 435 430,7 425,1
1,037 1,021 1,014 1,006 1,004
1,0000
1,0000
418,2
1
--
-1,223 1,277 1,319 1,383 1,456 --
Figura 8. Regresión de la mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.
º
Figura 9. Regresión del azeotropo de la mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.
º
5. Sistema ternario.
Figura 10. Sistema ternario Agua - Acetonitrilo – Acetato de etileno.
º
Figura 11. Curva de residuos Sistema ternario Agua - Acetonitrilo – Acetato de etileno.
º
6. Simulación.
Figura 12. Simulación de planta de separación.
º
Tabla 10. Composición y propiedades de las corrientes que intervienen en la simulación.
1
2
B1
B3
LIQUID
Mole Flow kmol/sec ACETO-01 WATER ETHYL-01 Mass Frac ACETO-01 WATER ETHYL-01 Total Flow kmol/sec Total Flow kg/sec Temperature C Pressure mmHg Vapor Frac Liquid Frac Solid Frac Enthalpy J/kmol Entropy J/kg-K Density kmol/cum Density kg/cum Average MW Liq Vol 60F cum/sec
3
B1
B1
LIQUID
LIQUID
4
5
6
7
8
9
B3
B2
B4
B3
B2
B2
B4
B4
LIQUID
MIXED
LIQUID
LIQUID
VAPOR
LIQUID
100,00
0,00
100,00
0,00
100,00
11,99
88,01
78,69
9,32
100,00
84,00
16,00
0,00
16,00
0,00
16,00
15,13
0,87
0,00
0,00
0,00
4,00
4,00
0,01
3,99
3,73
0,26
0,6950
0,0000
0,9344
0,0000
0,8650
0,9988
0,8495
0,8431
0,9075
0,3050
1,0000
0,0656
0,0000
0,0607
0,0000
0,0678
0,0711
0,0372
0,0000
0,0000
0,0000
1,0000
0,0743
0,0012
0,0827
0,0857
0,0553
200
84
116
4
120
12
108
97,54467
10,45533
5906,784
1513,303
4393,48
352,4253
4745,905
492,9146
4252,99
3831,397
421,5927
60
100,0133
77,48894
60
62,64227
81,46196
76,6715
78
78
760
760
760
460
460
760
760
760
760
0
0
0
0
0,045234
0
0
1
0
1
1
1
1
0,9547659
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1,19E+08
-2,80E+08
1,52E+06
-4,74E+08
-1,43E+07
4,66E+07
-2,10E+07
8,09E+06
6,33E+06
-4896,391
-8111,824
-3593,331
-5368,763
-3689,873
-3301,514
-3738,41
-1435,114
-3549,997
24,28035
50,97064
18,56403
9,678224
0,4737527
17,34739
18,176
0,0347053
17,74578
717,094
918,2624
703,1095
852,7127
18,73654
712,5654
715,7626
1,363171
715,5672
29,53392
18,01552
37,87482
88,10632
39,54921
41,07622
39,37954
39,27839
40,32323
7,09077
1,516229
5,574541
0,3943756
5,968917
0,6345551
5,334362
4,799946
0,5344156
º
Tabla 11. Condiciones de diseño de los destiladores.
B1
B2
Numero de platos
20
12
Plato de alimentación
10
6
Reflujo ratio
2
3
1,1044e+10
1,3766e+10
1,1412e+10
1,3778e+10
77.489
76,6714953
100.013
81,4619557
Condensador Duty [watt] Reboiler Duty [watt] Temperatura de Cabeza [C] Temperatura de fondo [C]
Tabla 11. Condiciones de diseño de los destiladores.
B1
B2
Numero de platos
20
12
Plato de alimentación
10
6
Reflujo ratio
2
3
1,1044e+10
1,3766e+10
1,1412e+10
1,3778e+10
77.489
76,6714953
100.013
81,4619557
Condensador Duty [watt] Reboiler Duty [watt] Temperatura de Cabeza [C] Temperatura de fondo [C]
º
