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SIMULACIÓN EN INGENIERÍA
QUÍMICA
Dr. Edgar Omar Castrejón González
omar@iqcelaya.itc.mx
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO en Celaya
Contenido
1. Simulación de Procesos
1. Flashes
2. Análisis de sensibilidad
3. Especificaciones de diseño
4. Métodos Cortos para el diseño de columnas de destilación
5. Métodos rigurosos para simulación de columnas de Destilación, Destilación reactiva, Destilación extractiva, Absorción, Extracción Líquido-Líquido.
6. Reactores químicos.
2. Simulación Molecular
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO en Celaya
Generalidades
Significado: Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos -Advanced System for Process Engineering (ASPEN).
Software sofisticado que puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad.
Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc.
Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca mediante subrutinas Fortran u hojas de trabajo Excel.
Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos.
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Flash
La mezcla que se muestra a continuación se condensa parcialmente y sesepara en dos fases. Calcúlense las cantidades y composiciones de las fasesen equilibrio, V y L. Determine la cantidad de calor transferido en elintercambiador de calor en kW y las composiciones de las corrientes V y L.
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Flash
Efectúe un análisis de sensibilidad para verificar el efecto de la temperaturade entrada al Flash sobre el calor transferido. Analice el rango de 10 a 600°F, calculando un total de 350 puntos. Elabore la gráfica Q vs T
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Sensit ivity Results Curve
Temperatura, °F
Q K
W
10 110 210 310 410 510 610-2750
-2500
-2250
-2000
-1750
-1500
-1250
-1000
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
1250
Q KW
Problema clásico
El sistema que se representa seguidamente se utiliza para enfriar elefluente de una reactor y separar los gases ligeros de los hidrocarburosmás pesados. Calcule la composición y la velocidad de flujo del vaporque sale de la cámara de flash. ¿Influye sobre el resultado la velocidad deflujo de líquido agotado?
INT - 1 INT - 2E-3
Divisor
Efluente del reactor
1000 °F, 500 psia
lbmol/h
H2 2000
CH4 2000
Benceno 500
Tolueno 100
200 °F 100 °F
500 psia
Líquido
Vapor
Salida LiqLíquido Agotado
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Especificaciones de Diseño
1750 lbmol/h de una mezcla equimolar de benceno, tolueno, n-heptano yn-octano a 370 psia entra como líquido saturado a un separador FlashAdiabático. ¿Cuál deberá ser la presión del Flash para que se vaporice el45 % de la alimentación?
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Tips:
1. Primero realice un análisis de sensibilidad para verificar el intervalo dondese encuentra la solución.
2. Utilice como variable objetivo el flujo de vapor para calcular de maneraindirecta la fracción de vaporización.
3. Utilice especificaciones de diseño para obtener la presión.
Diagramas x-y y T-x-y
Considere una mezcla equimolar binaria de 100 kmol/min de etanolagua, a 25°C y 1 atm. Elabore diagramas x-y y T-x-y usando
(a) Ideal
(b) NRTL-RK
¿A qué composición se encuentra el azeótropo? ¿La mezcla metanol-aguapresenta azeótropo?
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Diagramas x-y y T-x-y
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T-xy diagram for ETHANOL/WATER
Liquid/vapor mass fraction, ETHANOL
Tem
per
atu
re, C
0.940 0.945 0.950 0.955 0.960 0.965 0.97078.1555
78.1560
78.1565
78.1570
78.1575
78.1580
78.1585
78.1590
78.1595
78.1600
78.1605
78.1610
78.1615
78.1620
78.1625
78.1630
78.1635
78.1640
78.1645
78.1650
78.1655
78.1660
78.1665
78.1670
78.1675
78.1680
78.1685
78.1690
78.1695
78.1700
78.1705
78.1710
78.1715
78.1720
78.1725
78.1730
78.1735
x 1.0133 bar
y 1.0133 bar
CENTRO DE ESTUDIOS CORTAZARFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Métodos Cortos
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Modelo: Peng Robinson
Métodos Cortos y rigurosos
Usando métodos cortos, diseñe una columna para separar 1000kmol/hr de una mezcla a 1atm de 0.3 de Benceno, 0.4 de Tolueno y0.3 de o-Xileno en su punto de burbuja. La relación de reflujo es 1.5veces Rmin. Se desea recuperar el 99% del benceno alimentado por eldomo y el 97% del o-Xileno alimentado por el fondo. Utilice ASPEN Plus.
Adicionalmente verifique que la etapa de alimentación usada sea laóptima, mediante un análisis de sensibilidad para ver el efecto sobre QB.
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Métodos Rigurosos
Componente lbmol/h
Etano 3.0
Propano 20.0
n-Butano 37.0
n-Pentano 35.0
n-Hexano 5.0
Calcúlense composición de los productos, temperaturas de las etapas,composiciones y flujos de las corrientes de vapor y liquido interetapas, serviciodel ebullidor y servicio del condensador para las especificaciones de lasiguiente columna de destilación. MODELO SRKAlimentación (líquido saturado a 250 psia y 213.9°F):•Presión de la columna = 250 psia•Condensador parcial y ebullidor parcial•Flujo de destilado = 23 lbmol/h•Reflujo = 150 lbmol/h•Numero de etapas de equilibrio (excluidos el condensador y el ebullidor) = 15•La alimentación se envía a la etapa 14 a partir del domo.•Determínese la localización óptima de la etapa de alimentación.
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Reconsidérese el Ejercicio anterior para retirar una corrientelateral de vapor, con un flujo de 37 lbmol/h, de la cuarta etapacontando desde la cola.
Reporte composición de los productos, temperaturas de lasetapas, composiciones y flujos de las corrientes de vapor y liquidointeretapas, servicio del ebullidor y servicio del condensador
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Extracción Líquido-Líquido
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Extracción Líquido-Líquido
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Extracción Líquido-LíquidoCorrientes implicadas:
Alimentación (F): Disolución cuyos componentes se desean separar.
Disolvente (S): Líquido utilizado para separar el componente deseado
Refinado (R): Corriente de alimentación ya tratada
Extracto (E): Disolución con el soluto recuperado.
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Extracción Líquido-Líquido300 kg/h de una solución acuosa de ácido acético de composición
40% en peso de ácido (T=25°C, P=1 atm) se extraen encontracorriente con éter isopropílico (CAS# = 108-20-3) aT=25°C, P=1 atm, para reducir la concentración del ácido en elproducto refinado al 4% en peso Calcular:
Elabore un diagrama ternario usando IDEAL y NRTL. ¿Existenazeótropos?
a) Si el número de etapas es 5 cuál es la cantidad de solvente (éter)mínima necesaria para efectuar la separación. Como valor inicialutilice FETER = 1000 kg/h. Reporte flujos y composiciones de E yR. Modelo: NRTL. Use Análisis de sensibilidad.
Acetic acid 1.05g
ml eter 0.725
g
ml
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Extracción Líquido-Líquido
ELL
F
ETER
EXTRACTO
REFINADO
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eter 0.725g
ml
1g
agua ml
CENTRO DE ESTUDIOS CORTAZAR
Extracción Líquido-Líquido cambiar
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eter 0.725g
ml
1g
agua ml
Destilación ExtractivaEl MCH y tolueno forman un sistema de punto de ebullición cercano que esdifícil de separar por destilación binaria simple. En la columna derecuperación de la figura, el Fenol es usado para extraer el Tolueno,permitiendo recuperar methylcyclohexane relativamente puro en el productodel tope. La pureza del methylcylohexane recuperado depende del flujo deentrada de fenol. Utilice UNIFAC.
a) Efectúe la separación por destilación ordinaria (sin fenol).b) Utilice destilación extractiva y compare los resultados.
Fenol 1200 lbmol/hr220°F20 psia 7
14
1
22
MCH 200 lbmol/hrTolueno 200 lbmol/hr220°F20 psia
Condensador totalRop = 8D = 200 lbmol/hrP cond = 16 psiaP eb = 20.2 psia
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Destilación Reactiva
22
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Modelo: UNIFAC
Destilación Reactiva
22
Reporte los productos obtenidos.
Platos
reactivos
Condensador total
Rehervidor
Acido Acético
Metanol
6
21
27
R = 2.2D
B
Cambie la alimentación de ácido a la etapa 3 y verifique los resultados
Efectúe un análisis de sensibilidad variando la relación de reflujo entre 2.0 -4.0 y verifique cómo cambia la composición del Acetato en D, QB . D=90kmol/h
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AbsorciónEs la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida).
Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C.
Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto Aa través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo.
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Absorción
Se disponen de 100 kmol/h de una mezcla gaseosa amoniaco –aire de composición 15% en mol de amoniaco, la cual seintroduce a una columna de absorción de 15 etapas teóricas encontracorriente con 150 kmol/h de agua. Las corrientes seintroducen a una presión de 5 atm y temperatura de 20 °C.Reporte el perfil de composiciones y flujos. ¿Cuántoamoniaco fue absorbido? R [=] kmol/h
La presión en la columna varía linealmente de 5 atm en elfondo hasta 1 atm en el domo.
Modelo Termodinámico: UNIFAC
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Absorción
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Absorción: Resultados
Block ABSORB: Vapor Composition Profiles
Etapa
Y N
H3
1 3 5 7 9 11 13 15
0.1
30.1
40.1
50.1
60.1
70.1
80.1
90.2
AMONIACO
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Absorción: Resultados
Block ABSORB: Vapor Composition Profiles
Stage
Y
(mo
le f
rac)
1 3 5 7 9 11 13 15
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
AIRE
AMONIACO
AGUA
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Absorción: Comprobar si se alcanzan las siguientes especificaciones
Utilice el método UNIFAC.
Haga un análisis de sensibilidad para lograr las especificaciones P = 1 – 5 atm
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ReactoresTipos de reactores en ASPEN:
MODELO DESCRIPCIÓN PROPÓSITO UTILIDAD
RSTOICReactor estequiométrico
Modela reactores estequiometricos con extensión o conversión especificada
Reactores donde la cinética es desconocida o poco importante pero la estequiometria y extensión son conocidas
RYIELD Reactor de producciónmodela reactor con una producción específica
Reactores donde la estequiometría y la cinética son desconocidas o poco importantes pero la distribución de rendimiento es conocida
REQUIL Reactor de equilibriorealiza equilibrio químico y de fases por cálculos estequiométricos
Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases
RGIBBS
Reactor de equilibrio realiza equilibrio químico y de fases por minimización de la energía de GIBBS
Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases.
con minimización de energía de GIBBS
Calculo de equilibrios de fase para soluciones con sólidos y sistemas vapor-liquido-solido
RCSTRReactor continuo de tanque agitado
modela reactor de tanque agitadoReactores de tanque agitados con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética
RBATCH Reactor Batchmodela reactores batch o semicontinuos
Reactores batch o semicontinuos con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética
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ReactoresTipos de reactores en ASPEN:
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ReactoresModelado
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Reactor estequiométricoEn un reactor estequiométrico adiabático se lleva a cabo la producción de
metanol, con una conversión del 100%. La mezcla reactante consta de 1lbmol/h de CO, 2 lbmol/h de H2 y 5 lbmol/h de Dodecano. Las condicionesson P = 1 atm y Tentrada = 25°C
a) Calcule las composiciones en la corriente de salida, así como el calor de lareacción. Use el modelo termodinámico Predictive Redlich Kwong Soave(PSRK)
2 32CO H CH OH
b) Calcule las temperaturas de burbuja y de rocío para la corriente de salida del reactor
Tb = 56.71°CTr = 208.43 °C
de CO90586.533 kJ
rxn kmolH
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Reactor estequiométricoSe produce cloro mediante la reacción:
La composición del flujo de 100 kmol/hr de alimentación al reactor es de 60% mol de HCl, 36% mol de O2 y 4% mol de N2, la cual entra al reactor a 550°C y 1 atm. Si la conversión a HCl es de 75% y si el proceso es isotérmico, ¿cuánto calor debe transferirse del reactor por cada mol de la mezcla gaseosa que entra en él? -366.92 kW
2 2 ( ) 24 2 2ggHCl O H O Cl
b) Composiciones de la corriente de salida:
c) ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?
d) ¿Cuánto es el avance de reacción (mol/hr)?
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Temperatura adiabática de flama
¿Cuál es la temperatura máxima que puede alcanzarse por lacombustión del metano con un exceso de 20% de aire? El metanoy el aire entran al quemador a una temperatura de 25°C y P=1atm.La reacción es:
4 2 2 22 2g
CH O CO H O Sol. 1796.5°C
¿cuál es el efecto del aire en exceso en la Temperatura?
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Ejercicio T adiabática de flama 2
¿Cuál es la temperatura máxima que puede alcanzarse por la combustión del butano con un exceso de 20% de aire? El butano y el aire entran al quemador a una temperatura de 25°C. P = 1 atm
Sol. 1853°C
b) Calcular la Tmax si se alimenta oxígeno en proporción estequimétrica en lugar de aire en exceso
Sol. 5342.3°C
4 10 2 2 22 13 8 10C H O CO H O
Sol. 2125°C
c) Calcular la Tmax si se alimenta aire en proporción estequimétrica.
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Reporte los productos obtenidos¿Qué variables podrían modificar para maximizar la producción de Cumeno?
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Ejercicio: Producción de Ciclohexano
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Ejercicio: Producción de CiclohexanoCorriente 1: Presión 335 psi, temperatura 120 °F, caudal total 313 Kmol/h,
composición: 97.5% H2 , 0.5% N2 y el resto de metano (inerte junto con el
nitrógeno).
Corriente 2: Presión 15 psi, temperatura 100 °F y caudal 100 Kmol/h de benceno
puro.
Intercambiador 1: Presión 330 psi, temperatura a la salida 330°F.
Reactor: Tipo de modelo de Aspen RSTOIC. Temperatura 400°F, presión -15psi
(negativa por pérdida de carga), conversión de benceno 99.8%, reacción:
3Benceno Hidrógeno Ciclohexano
Flash: Temperatura 120 °F y presión -5psi (negativa por pérdida de carga).
Columna de destilación: Tipo de modelo de Aspen RADFRAC, Número de platos
12, condensador parcial, relación de reflujo 1.2, fondos 99 Kmol/h, la alimentación
entra en el plato 8, la presión del plato 1 es de 200psi.
Divisor 1: El 92% que sale como vapor del flash se recircula
Divisor 2: El 30% que sale como líquido se recircula.
Emplear como propiedades termodinámicas la ecuación de RK-Soave
a) Elabore un reporte de la situación actual de la planta.
b) ¿Se puede mejorar la producción de Ciclohexano?, ¿cómo?
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