Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato: Laboratorio de Diseño Y Simulación de Procesos Y Productos

 

UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO CAMPUS GUANAJUATO

DIVISIÓN DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA

LA BORA BORATORIO TORIO DE DIS DISEÑO EÑO Y SIMULACIÓN SIMULA CIÓN DE PR PROCES OCESOS OS Y PRODUCTOS 

REPORTE #3  COLUMNA DE DESTILACIÓN EXTRACTIVA

EQUIPO:  

GARCÍA HERNÁNDEZ ANGEL EDUARDO HERNÁNDEZ HERNÁNDE Z OLMOS JUAN J UAN PABLO LOZANO ALVARADO LEONARDO DANIEL

25 DE FEBRERO DE 2021

 

 

RESUMEN Se realizaron dos simulaciones, una de una columna de destilación extractiva de tolueno y n-hexano como extractante fenol, sin tomar en cuenta en la simulación el reflujo de este y con base en el modelo termodinámico de Wilson. Se modificó la pureza deseada del compuestoo ligero para ver el cambio que sufre el reflujo para llegar al resultado deseado, compuest esperando que la relación de reflujo aumente con forme se pida una pureza mayor. La segunda simulación aborda una columna de destilación extractiva, sin rehervidor ni condensador, alimentada por el producto pesado de una destilación flash y por una corriente de vapor de agua sobresaturado, modificando el valor de esta para obtener valores deseados de la concentración de los compuestos (en este caso hidrocarburos lineales) para así observar la relación del flujo de vapor con la concentración de los hidrocarburos en las salidas de la columna. Suponemos que el cambio de los flujos de reflujo y vapor de agua de cada respectiva simulación afectará de forma significativa la  pureza de de sus product productos. os. 

INTRODUCCIÓN La destilación extractiva, como su nombre lo indica, trata de dos procesos de separación separación en un solo equipo, destilación en presencia de un componente miscible con unazeótropos alto punto de ebullición y de una baja volatilidad. El disolvente utilizado no debe fformar ormar con los compuestos alimentados alimentados a la columna. El fin f in de esta es separar una alimentación de compuestos con una volatilidad relativa cercana a uno, lo que no podría separarse óptimamente con una destilación simple. El disolvente absorbe un compuesto debido a diferencia de solubilidad (siendo el compuesto objetivo mucho mas soluble en disolvente a comparación a la solubilidad de su corriente original), debido a su alto punto de ebullición, la mayor parte del disolvente se irá a los fondos mientras que el compuesto ligero, más libre del segundo compuesto se irá al destilado con una pureza mayor. El producto de fondos, que es el disolvente d isolvente cargado con el compuesto soluble es tratado  para separarse del otro compuesto y es recirculado a la columna de destilación, esto  porque el método ocupa de grandes cantidades de disolvente en comparación de la alimentación de la mezcla que se desea separar.

METODOLOGÍA Para la presente práctica, como primer paso se introducen los compuestos con los que va a trabajar la columna de destilación, d estilación, siendo estos el tolueno, n-hexano y fenol, quien será el extractante en este caso, esta información se muestra en la ilustración 1.

 

  Ilustración 1

Posteriormente se elige el modelo termodinámico que mejor se ajuste al caso de estudio, Posteriormente en este caso será el modelo de Wilson para la predicción del equilibrio.

Ilustración 2

Ahora pasamos al apartado de simulation , en la ventana main flowsheet, donde nos ubicamos en el apartado columns y seleccionamos la columna redFrac tal y como se muestra en la siguiente ilustración 3, se procede a conectar las corrientes correspondientes correspondie ntes de alimentación, destilado y productos de ffondos ondos (ilustración 4).  

 

  Ilustración 3

Ilustración 4 

En este caso, a diferencia una columna destilación pondremos de alimentación, una por ladeparte superior,de donde entrará sencilla, el extractante, y otrados porlíneas la  parte inferior, donde donde entrará nuestra nuestra alimentación. El siguiente paso es introducir las condiciones de operación correspondien correspondientes, tes, así como la composición de la alimentación, en este caso se deben utilizar unidades un idades del sistema inglés por lo que se debe d ebe asegurar que el software este en las unidades correspondientes. En la ilustración 5 se ve como cambiar el sistema de unidades que se usará, poniéndolo en la opción ENG.  

Ilustración 5 

 

Primero agregamos las características de la composición de alimentación (ilustración 6).

Ilustración 6

Posteriormente, Posteriormen te, se agregan las condiciones del flujo de extractante (ilustración 7).

Ilustración 7

A continuación, se configura la forma en la que va a operar la columna, siendo está en fase de equilibrio, se define el número de etapas que en este caso son 19 platos más el condensador condensa dor y el rrehervidor ehervidor (21 etapas), se elige el ttipo ipo de condensador a usar en este caso se seleccionó un condensador total, se asigna el reflujo de 5 y el flujo en el destilado que es de 200 lbmol/h.

Ilustración 8

 

Se define ahora en qué etapa entrará tanto el extractor como la alimentación, cambiando a la opción on-stage y poniendo la respectiva etapa (ilustración 9), y lo mismo con los  productos y fondo. fondo.

Ilustración 9 

Ahora, solo definimos la presión en el condensador, no asignamos caída de presión.

Ilustración 10

Una vez realizados los pasos anteriores se puede proseguir a correr la simulación. Para obtener los diagramas de perfil composición composición y perfil de temperatura basta con ir a la  pestaña de profiles y en la sección plot se despliegan los tipos de gráficas disponibles. 

Ilustración 11

También, podemos podemos definir una característica especial en algún flujo, para este caso será en el flujo de destilado, y así obtener alguna característica en específico, en este caso será para obtener una pureza de 0.99 para el n-hexano. Primero, debemos checar checar a mano si debemos aumentar el reflujo o disminuirlo para  poder conseguir conseguir dicha pureza pureza,, en este caso caso se tiene que aaumentar umentar la pureza. pureza.  

 

Procedemos a ir a la opción de blocks, se selecciona nuestra columna y por último nos vamos a la opción de specificatios (ilustración 12). Ahí, nos vamos a la carpeta Design Specifications.

Ilustración 12

Una vez ahí, le damos en nuevo y empezamos a llenar nuestras especificaciones (ilustración 13).

Ilustración 13

En Type, ponemos qué condición de diseño estamos buscando, en este caso es pureza molar, existen varias opciones para poner la característica deseada, solo emplearemos una en este caso. En Target , ponemos nuestro objetivo, en este caso alcanzar un 0.99 de  pureza molar. molar. (ilustración 14)

 

  Ilustración 14

En la pestaña , seleccionamos nuestro (donde la queremos quede se Components refleje nuestra pureza), le damos c liccomponente clic en el nombredeyinterés seleccionamos flecha resaltada resaltada para cambiarla de lugar a la columna de al lado (ilustración 15)

Ilustración 15 

Por último, nos pasamos a la pestaña Feed/Prod Feed/Product uct Streams y seleccionamos en qué corriente estará presente el componente que hemos seleccionado con anterioridad, en este caso seleccionamos el destilado y lo pasamos al otro lado de la columna con la misma opción de antes.

 

  Ilustración 16

Terminado esto, nos vamos al menú del lado izquierdo y nos colocamos en la carpeta llamada Vary. En esa carpeta seleccionamos seleccionamos la opción de New. 

 

Ilustración 17 

Una vez dentro, en la opción Type, seleccionamos como es que queremos obtener una  pureza de 0.99lapara de eell n-hexano, este que de cambiaremos cambiaremos será los el reflujo, que ponemos opción de Reflux en  y caso en laloparte abajo ponemos valorespor quelo ratio queremos tome de inicio y final, para par a buscar entre esos valores la posible respuesta.

 

  Ilustración 18

Por último, corremos el programa y nos vamos a la opción de resultados, que aparece a lado de la pestaña anterior (ilustración 19), donde podemos ver a que valor v alor debemos ajustar para poder obtener el valor que esperamo esperamos. s.

Ilustración 19

  TANQUE FLASH-COLUMNA

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Para esta actividad, se nos pide conectar un tanque flash fl ash con una columna extractiva,  por lo que abrimos abrimos otro archivo nnuevo. uevo. Agregamos los compuestos compuestos nuevos que se usarán para esta simulación (ilustración 20).

 

  Ilustración 20

Escogemos Escogem os el modelo de Chao-Seade Chao-Seader, r, por ser compuestos peque pequeños ños y lineales.

Ilustración 21

Y nos pasamos a la parte de la simulación. Como se puede observar en la figura x, debemos de conectar nuestro tanque flash a la columna de destilación, de manera que la corriente d e salida de delmencionar fondo del tanque sea la corriente del extractor de la l a columna de destilación, cabe que flash escogeremos escogere mos una columna sin condensador ni rrehervidor, ehervidor, y nuestra alimentación entrará  por la parte de debajo de la ccolumna. olumna.

 

  Ilustración 22

Primero, configuramos las condiciones condiciones de operación de nuestro tanque flash, como se muestra en la ilustración 23. Ponemos nuestras iteracione iteracioness y la tolerancia de error que queremos, como se muestra en la ilustración 24.

Ilustración 23

Ilustración 24

Realizamos lo mismo para nuestra columna de destilación extractiva, configurando las Realizamos condiciones condicio nes de entrada de llaa alimentación (ilustración 25).

 

  Ilustración 25

En esta ocasión no fue necesario configurar la corriente corrie nte de extractor, ya que es la la corriente de salida del tanque flash y con la configuración del tanque flash f lash es más que suficiente para calcular la condición de salida de dicha corriente. Para finalizar, solo es cuestión de correr eldeprograma e ir a la pestaña de resultados y  perfiles, para conocer para el ccomportamiento omportamiento nu nuestro estro proceso.

Ilustración 26

Ahora, como en la simulación anterior, tenemos que buscar las condiciones para que se dé un flujo de salida de d e 50 kmol/h de n-pentano, n- pentano, para esto, buscamos cuanto vapor de agua tiene que entrar en la columna. Esto lo hacemos como en la simulación anterior, especificando especifica ndo cuanto es lo que queremos que salga y en que flujo. Primero, sabemos que queremos que esto ocurra en la l a columna de destilación, entonces nos vamos al menú de la izquierda y buscamos la carpeta de Specifications  en nuestra columna (ilustración 27), La seleccionamos y le ponemos en  New, ahí configuramos las característicass y cuál es nuestro valor objetivo. característica

 

  Ilustración 27

Una vez hecho esto, nos vamos a la pestaña de al lado llamada  Component   yy seleccionamos selecciona mos el componente que queremos tenga este flujo.

Ilustración 28

Seleccionado el compone Seleccionado componente, nte, vamos a la ppestaña estaña de lado llamada  Feed/ Product   n los Streams y seleccionamos en que flujo queremos que lo tenga, en este caso será een fondos

Ilustración 29

 

Procedemos a ir al menú de la izquierda y seleccionar la carpeta Vary; una vez ahí Procedemos seleccionamos selecciona mos la opción de New y configuramos como queremos lograr dicho objetico y cuáles son nuestros valores mínimos y máximos de búsqueda (ilustración 30 y 31).

Ilustración 30

Ilustración 31

Se seleccionó en type la opción de Feed 2, ya que es la corriente que queremos varié  para conseguir conseguir el valor espe esperado rado y colocamo colocamoss en intervalo donde queremos queremos el programa programa  busque.  Con esto, corremos la simulación y nos vamos a la pestaña de rresultados esultados para saber qué valor de Feed 2 debemos establecer, y con esto finalizar fin alizar y alcanzar el objetivo

RESULTADOS Y DISCUSIÓN   DESTILACIÓN EXTRACTIVA

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Sin condición de diseño  

En la tabla 1 y 2 se puede apreciar la composición del líquido en cada etapa de la columna.

 

  Tabla 1

Tabla 2

Con condición de diseño  

En la tabla 3 y 4 se puede apreciar la composición del líquido en cada etapa de la columna.

 

  Tabla 3

Tabla 4

El resultado del reflujo, que fue la variable designada para la condición de diseño se muestra en la ilustración 33.

Ilustración 32

 Análisiss del flujo  Análisi flujo extractante extractante

 

A continuación, en la tabla 5se muestran los datos obtenidos de fracción del líquido de nC6 en la etapa uno variando el flujo de extractante entre 200 y 2000.

Tabla 5 Extractante vs XnC6

Se graficaron los datos, obteniendo la siguiente gráfica  

Ilustración 33 Gráfica x XnC6 vs Extractante

 Discusión 

Se puede apreciar que al comparar los resultados obtenidos con y sin condición condición de diseño que el problema inicialmente tiene un reflujo de 5 que es mayor al requerido para obtener la pureza deseada de 99%, ya que al agregar la condición de diseño se obtiene un reflujo de 4.37854 para dicha pureza, sin embargo, cabe resaltar que se trata de una simulación y probablemente ese sobre diseño es para asegurar que en una situación real se tenga t enga un margen de error y aun así se obtenga la pureza requerida. Para fines prácticos y el análisis de los resultados el reflujo debe de ser de 4.37854. Para el extractante, según la gráfica obtenida se puede apreciar que en este caso c aso a mayor flujo de extractante menor pureza por lo que no tiene sentido tener un flujo tan alto, sin embargo, el extractante se recupera al salir de la columna y posteriormente se recircula,

 

esta es la razón para tener un flujo elevado, para que no haya desabasto de extractante en ningún momento.   TANQUE FLASH-COLUMNA

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Secuencia tanque-columna

En la siguiente ilustración se puede apreciar el flujo molar de nC5 en el producto de fondos de la columna, una vez simulada la secuencia del tanque-columna.

Ilustración 34

¿Por qué el líquido es ingresado por la parte superior?

Es ingresado por la parte superior para que por medio de la gravedad gr avedad este recorra toda la columna y pueda dar lugar a la l a transferencia de materia y energía con el vapor.  ¿Por qué el vapor es ingresado por la parte inferior?

Es ingresado por la parte inferior debido a que el vapor tiende a expandirse por lo que hará su recorrido hacia la parte superior de la columna, en ese recorrido se encontrará con el líquido para que se puede dar la transferencia de materia y energía. ¿Cuál es la cantidad exacta de vapor de agua que necesitamos para cumplir una salida de 0.5kmol/h del pentano en la parte inferior?

A continuación, en la ilustración 36 se muestra el flujo obtenido una vez introduciendo la condiciónn ddee diseño. condició

 

  Ilustración 35

El flujo de vapor de agua necesario para tener un flujo de 0.5 kmol/h de nC5 en los fondos se muestra en la siguiente figura.  

Ilustración 36

 Discusión 

Al analizar los resultados obtenidos al simular la secuencia tanque-columna, se puede apreciar que el modelo termodinámico seleccionado (Chao-Seader) satisface el flujo de nC5 en los fondos menor a 0.5 kmol/h como se indica en la imagen de la secuencia mostrada en el manual. Para el flujo vapor de agua necesario para un flujo de nC5 de 0.5 kmol/h se puede apreciar que se necesita menos menos vapor de agua que el inicial ya que pasa de un flujo flu jo de 150 kmol/h a 121.404 kmol/h, por lo que se puede decir que mientras el flujo de vapor de agua sea mayor, mayor será la pureza del destilado en cuestión al nC5, lo que implica que el flujo de nC5 presente en los fondos sea menor.

CONCLUSIÓN Después de la primera simulación, donde se esperaba que la relación r elación de reflujo y pureza aumentara de gran manera no fue el caso, pues para una pureza deseada de 0.99 se obtuvo un resultado de relación de reflujo de4.37, valor muy distinto al reflujo requerido para 0.993 de pureza que es de 5. Esto probablemente debido a que estamos

 

cerca de la pureza y es más marcada la necesidad de reflujo para aumentar la pureza en este grado que en concentraciones menores como .5 que aun pueden purificarse en gran medida. En el caso de la segunda simulación, la concentración de nC5 aumentó en los fondos al disminuir la alimentación de vapor; este valor es congruente a lo esperado, pues a mayor vapor es mayor energía alimentada, lo que hace que los compuestos se volatilicen con más facilidad y no solo el compuesto ligero se dirija al domo de la columna.

REFERENCIAS McCabe, W.; Smith, J. y Harriot, P. (1998). Operaciones Unitarias en Ingeniería Quimica. McGraw-Hill. 4ta ed. México