destilacion aguaa - etanol

cenidet

Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico Departamento de Ingeniera Mecatrnica

TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS

Simulacin y Control de una Planta de Destilacin para Producir

Etanol Anhidro

Presentada por

Rosendo M. J. Vargas Valle Ing. en sistemas computacionales por el I. T. de Zacatepec

Como requisito para la obtencin del grado de:

Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica

Director de tesis:

Dra. Mara Guadalupe Lpez Lpez

Co-Director de tesis: Dr. Enrique Quintero-Mrmol Mrquez

Jurado:

Dr. Rigoberto Longoria Ramrez Presidente Dr. Vctor Manuel Alvarado Martnez Secretario

Dra. Mara Guadalupe Lpez Lpez Vocal Dr. Enrique Quintero-Mrmol Mrquez Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, Mxico. 4 de Diciembre de 2008

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Dedicatoria

Dedico este trabajo a todas las personas que me apoyaron de alguna manera en el desarrollo de este proyecto de tesis, a mi familia por todo su apoyo, en especial a Diana el amor de mi vida, quien siempre me ayudo en los momentos ms difciles, a mis asesores que siempre estuvieron ah para aconsejarme, en fin a todos Muchas Gracias!.

Rosendo M. J. Vargas Valle.

v

Agradecimientos

A mi familia, por brindarme todo el apoyo que necesite durante todo el tiempo que dur toda esta gran aventura que es el estudiar un posgrado.

A Dianita, mi nia que me dio todo su apoyo y confianza, levantndome en momentos difciles y recordndome a cada momento que necesitaba la razn de todo este esfuerzo.

A mi querida Clotilde, que al llegar a casa despus de das muy difciles me dibujaba una sonrisa en el rostro con sus travesuras.

A mis asesores, la Dra. Guadalupe Lpez y al Dr. Enrique Quintero-Mrmol, por toda su paciencia, apoyo y disposicin durante el desarrollo de este proyecto de tesis.

A mis revisores, el Dr. Rigoberto Longora y el Dr. Vctor Alvarado, por sus valiosos comentarios y por la gran disponibilidad para la revisin de esta tesis.

A todos mis compaeros de generacin, que permitieron con sus ocurrencias e incoherencias transformar a las difciles y extenuantes noches de trabajo en experiencias que quisiera volver a repetir y que nunca podr olvidar.

Al Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico y a todo su personal, por darme la oportunidad de realizar mis estudios de maestra y de convertirme en un mejor ser humano.

A la DGEST por el apoyo econmico que me brindo durante mis estudios de maestra.

A todos, muchas gracias por todo!

Rosendo M. J. Vargas Valle

Tabla de contenido

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Contenido

Dedicatoria. ii Agradecimientos. iv Tabla de contenido. vi ndice de figuras. x ndice de tablas. xiv Resumen xvi Abstract xviii

Introduccin. 1 Planteamiento del problema. 4 Solucin Propuesta. 4 Justificacin. 5 Objetivos. 5

Objetivo general. 5 Objetivos particulares. 5

Hiptesis. 5 Alcances y limitaciones. 5 Aportaciones y beneficios. 6 Organizacin del texto. 6

Captulo 1 Fundamentos Tericos. 9 1.1 La destilacin 11

1.1.1 Columna de destilacin o columna fraccionaria. 11 1.1.2 Azeotrpos. 12 1.1.3 Destilacin azeotrpica. 14

1.2 Estado del arte de la deshidratacin de etanol. 14 1.3 Descripcin del comportamiento de la mezcla Etanol - Agua Benceno. 18

1.3.1 Comportamiento de las mezclas binarias. 18 1.3.1.1 Agua-Benceno. 18 1.3.1.2 Etanol-Agua. 19 1.3.1.3 Etanol-Benceno. 20

1.3.2 Comportamiento de la mezcla ternaria Etanol-Agua-Benceno. 20

Captulo 2 Proceso de deshidratacin de etanol: Estado Estable. 23 2.1 Proceso de deshidratacin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea. 25 2.2 Configuracin propuesta por Luyben [1]. 26 2.3 Simulacin del proceso de deshidratacin de etanol: Estado Estable. 27

2.3.1 Software de simulacin Aspen Plus. 27 2.3.2 Construccin de la secuencia. 27

2.3.2.1 Diagrama de flujo: Seleccin de equipo e interconexin. 28 2.3.2.2 Seleccin de componentes. 31 2.3.2.3 Seleccin de modelo de equilibrio de fases. 32

2.3.2.3.1 Datos experimentales. 32

Tabla de contenido

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2.3.2.3.2 Anlisis y seleccin. 33 2.3.2.4 Configuracin del equipo. 35

2.3.2.4.1 Columnas de destilacin. 35 2.3.2.4.2 Intercambiador de calor y decantador. 36

2.3.3 Definicin de las condiciones iniciales. 38 2.3.4 Multiplicidad de estados. 41 2.3.5 Simulacin en estado estable de la configuracin final. 42 2.3.6 Anlisis de sensibilidad. 46 2.3.7 Discusin de Resultados. 50

Captulo 3 Proceso de deshidratacin de etanol: Dinmica. 51 3.1 Software de simulacin Aspen Dynamics. 53 3.2 Simulacin dinmica y control de la secuencia de destilacin de sistema etanol-

agua-benceno. 53

3.2.1 Lazos de control. 55 3.4 Configuracin dinmica final y desempeo. 57 3.5 Discusin de resultados. 71

Captulo 4 Implementacin de un controlador difuso en Aspen y Evaluacin de su desempeo.

73

4.1 Software de modelado Aspen Custom Modeler. 75 4.1.1 Descripcin general de Aspen Custom Modeler. 75 4.1.2 Paradigma de programacin. 75

4.2 Descripcin del modelo de un controlador difuso normalizado. 75 4.2.1 Control difuso 75 4.2.2 Descripcin general del modelo. 76 4.2.3 Reglas de inferencia. 76 4.2.4 Sistema difuso. 78 4.2.5 Escalamiento de las seales. 80

4.3 Controladores difusos en la secuencia de deshidratacin de etanol. 81 4.3.1 Nueva estructura de control. 81 4.3.2 Parmetros de los controladores. 81 4.3.3 Comparacin del desempeo de los controladores difusos vs. PI. 84 4.3.4 Respuesta a perturbaciones. 88

4.4 Discusin de resultados 91

Captulo 5 Conclusiones. 93 5.1 Conclusiones generales. 95

5.1.1 Secuencia implementada. 95 5.1.2 Control inteligente en la suite de ingeniera de Aspen. 96

5.2 Recomendaciones. 96 5.3 Trabajos futuros. 96

Referencias. 99

Tabla de contenido

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ANEXOS 103 ANEXO A: Multiplicidad de estados. 105 ANEXO B: Sintonizacin de controladores PI de la secuencia por el mtodo de la curva de reaccin (Cohen Coon).

107

ANEXO C: Ejemplo de codificacin en Aspen Custom Modeler, aplicacin a una columna de destilacin binaria ideal.

114

ANEXO D: Modelo de un controlador difuso normalizado en Aspen Custom Modeler.

126

ANEXO E: Modelo de la planta piloto CENIDET, aplicacin a la etapa de preconcentracin de etanol.

137

Tabla de contenido

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Tabla de contenido

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ndice de Figuras

Figura 1: Diagrama bsico de una columna de destilacin [4]. .............................................12 Figura 2: Mezcla binaria con comportamiento ideal. .............................................................13 Figura 3: Mezcla binaria no ideal, azeotrpica. .....................................................................13 Figura 4: Comportamiento del Agua en la mezcla Agua-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen................................................................................................................................19 Figura 5: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Agua a 1 Atm, figura generada en Aspen................................................................................................................................19 Figura 6: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen...........................................................................................................................20 Figura 7: Azeotrpos presentes en la mezcla Etanol-Agua-Benceno, datos obtenidos en Aspen................................................................................................................................21 Figura 8: Diagrama ternario de la mezcla, figura generada en Aspen. ..............................21 Figura 9: Proceso de deshidratacin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea, segn la descripcin en [1]. ..................................................................................................25 Figura 10: Secuencia conceptual [1]. ....................................................................................26 Figura 11: Localizacin de los modelos RadFrac en la interfaz de Aspen. ........................28 Figura 12: Localizacin de los decantadores en la interfaz de Aspen................................29 Figura 13: Localizacin de intercambiador de calor en la interfaz de Aspen......................29 Figura 14: Localizacin de bombas y vlvulas en la interfaz de Aspen..............................30 Figura 15: Opciones de colocacin de flujos en la interfaz de Aspen. ...............................30 Figura 16: Secuencia en estado estable obtenida.................................................................31 Figura 17: Especificacin de componentes en la interfaz de Aspen. .................................31 Figura 18: Modelo NRTL y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55C a 1 Atm. ......................................................................................................................................34 Figura 19: Modelo UNIQUAC y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55C a 1 Atm. ......................................................................................................................................35 Figura 20: Diagrama de flujo para obtener las condiciones iniciales. ....................................38 Figura 21: Secuencia de deshidratacin de etanol, usando al benceno como solvente en un proceso de destilacin azeotrpica heterognea en estado estable desarrollada en Aspen, () Entradas, () Salidas......................................................................................................40 Figura 22: Diagrama de flujo completo de la simulacin en estado estable, generado de los resultados obtenidos de la simulacin. .................................................................................45 Figura 23: Diagramas de flujo de los subsistemas extrados de la secuencia de deshidratacin de etanol generados en Aspen: (a) Subsistema C1, (b) Subsistema Hx-Dec y (c) Subsistema C2..............................................................................................................47 Figura 24: Secuencia con los ciclos de proceso cerrados, obtenido de las primeras simulaciones dinmicas del proceso.....................................................................................54 Figura 25: Secuencia propuesta en [1]. ................................................................................55 Figura 26: Secuencia de deshidratacin de etanol completa, utilizando al benceno como agente separador, obtenida de la simulacin final en Aspen. ............................................58 Figura 27: Comportamiento dinmico de la concentracin de etanol de secuencia, obtenida de la simulacin en Aspen.................................................................................................59 Figura 28: Comportamiento dinmico de la pureza de agua, obtenida de la simulacin en Aspen................................................................................................................................59 Figura 29: Resultados de la simulacin del proceso de destilacin azeotrpica heterognea del sistema etanol-agua-benceno, obtenidas de la simulacin final en Aspen...................64

Tabla de contenido

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Figura 30: Comportamiento dinmico del control de temperatura de la columna C1, TC1. ...65 Figura 31: Comportamiento dinmico del control de temperatura de la columna C2, TC2. ...65 Figura 32: Comportamiento dinmico del control de temperatura del condensador HX, TCD..............................................................................................................................................66 Figura 33: Comportamiento dinmico del control de presin de la columna C1, PC1. ..........66 Figura 34: Comportamiento dinmico del control de presin de la columna C2, PC2. ..........67 Figura 35: Comportamiento dinmico del control del flujo de alimentacin a la columna C1, FC.........................................................................................................................................67 Figura 36: Comportamiento dinmico del control de reflujo de la columna C1, FCreflux.......68 Figura 37: Comportamiento dinmico del control de nivel del tanque del hervidor de la columna C1, LC11. ...............................................................................................................68 Figura 38: Comportamiento dinmico del control de nivel del tanque del hervidor de la columna C2, LC21. ...............................................................................................................69 Figura 39: Comportamiento dinmico del control de nivel del tanque del condensador de la columna C2, LC22. ...............................................................................................................69 Figura 40: Comportamiento dinmico del control de nivel de la fase acuosa en el decantador, LCDaq. .................................................................................................................................70 Figura 41: Comportamiento dinmico del control de nivel de la fase orgnica del decantador, LCDorg. ................................................................................................................................70 Figura 42: Estructura general de un controlador difuso [36]. .................................................76 Figura 44: Respuesta de un sistema de segundo orden subamortiguado [36]. .....................77 Figura 45: Error de un sistema de segundo orden subamortiguado [36]. ..............................77 Figura 46: Maquina de inferencia tipo producto [36]. ............................................................79 Figura 47: Secuencia destilacin azeotrpica heterognea del sistema etanol-agua-benceno con controladores difusos instalados, estos se indican con una flecha. ................................83 Figura 48: Respuesta de flujo con control PI, en condiciones normales, simulacin en Aspen a 25 hrs. .................................................................................................................84 Figura 49: Respuesta de flujo con control difuso, en condiciones normales, simulacin en Aspen a 25 hrs. .................................................................................................................85 Figura 50: Detalle del comportamiento dinmico del control PI de flujo, simulacin en Aspen a 4 hrs. ...................................................................................................................85 Figura 51: Detalle del comportamiento dinmico del control difuso de flujo, simulacin en Aspen a 2 hrs. ...................................................................................................................86 Figura 52: Respuesta del control PI de temperatura en la simulacin en Aspen. ..............86 Figura 53: Respuesta del control difuso de temperatura, simulacin en Aspen a 25 hrs. ..87 Figura 54: Detalle de la respuesta del control difuso de temperatura, simulacin en Aspen a 2 hrs. .................................................................................................................................87 Figura 55: Respuesta a perturbaciones, simulacin a 10 Hrs. ..............................................89 Figura 56: Etanol a 82% mol en la alimentacin, 25 hrs de simulacin en Aspen..............90 Figura 57: Etanol a 86% mol en la alimentacin, 25 hrs de simulacin en Aspen..............90 Figura 58: Obtencin de parmetros por Cohen Coon........................................................107 Figura 59: Respuesta a un escaln del 5% de la vlvula V1. ..............................................108 Figura 60: Punto de apertura de la secuencia.....................................................................109 Figura 61: Curva de reaccin en la temperatura despus de HX. .......................................109 Figura 62: Curva de reaccin en el nivel a la apertura de la vlvula V21. ...........................110 Figura 63: Respuesta del nivel del condensador de C2 a la apertura de V2. ......................110 Figura 64: Curva de reaccin del nivel acuoso en el decantador. .......................................111 Figura 65: Respuesta en el nivel orgnico del decantador. ................................................111 Figura 66: Respuesta del flujo de de la corriente reflux. ...................................................112

Tabla de contenido

xiii

Figura 67: Diagrama del modelo de una columna de destilacin binaria ideal [42]. ............115 Figura 68: Respuesta del modelo implementado en MatLab. ...........................................120 Figura 69: Secuencia de una columna de destilacin binaria ideal en Aspen Custom Modeler. ..........................................................................................................................124 Figura 70: Comportamiento de la concentracion en la base de la columna........................125 Figura 71: Comportamiento de la pureza del destilado de la columna. ...............................125 Figura 72: Grados de pertenencia singletn de las entradas [36]. ......................................126 Figura 73: Valores lingsticos de la entrada definidos [36].................................................127 Figura 74: Grado de pertenencia triangular, cero (Z) [36]. ..................................................127 Figura 75: Singletones posibles de salida del sistema [36]. ................................................128 Figura 76: Variables principales del modelo de controlador difuso normalizado..................132 Figura 77: Desempeo del CDBI con control PI de la concentracin en parte baja.............134 Figura 78: Desempeo del CDBI con control Difuso de la concentracin en la parte baja. .135 Figura 79: Desempeo del control PI en la pureza del destilado.........................................135 Figura 80: Desempeo del control difuso en la pureza del destilado...................................136 Figura 81: Secuencia Batch de la columna CENIDET.........................................................138 Figura 82: Columna de destilacin CENIDET, proceso continuo.........................................139

Tabla de contenido

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Tabla de contenido

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ndice de Tablas

Tabla 1: Datos experimentales del equilibrio Liquido-Liquido de la mezcla etanol-agua-benceno a 55C a 1 Atm. de [30]. .........................................................................................33 Tabla 2: Parmetros del equipo para la simulacin en estado estable..................................37 Tabla 3: Concentraciones de alimentacion. ..........................................................................38 Tabla 4: Concentraciones iniciales obtenidas. ......................................................................38 Tabla 5: Valores iniciales de la alimentacin de la secuencia. ..............................................39 Tabla 6: Valores obtenidos de la primera simulacin en estado estable. ..............................39 Tabla 7: Caractersticas de las corrientes de entrada. ..........................................................41 Tabla 8: Respuesta en estado estable con una concentracin alta de etanol en B1 (fondo de la columna). ..........................................................................................................................41 Tabla 9: Respuesta en estado estable con una concentracin baja de etanol en B1 (fondo de la columna). ..........................................................................................................................41 Tabla 10: Corrientes de alimentacin de la simulacin en estado estable final. ....................42 Tabla 11: Resultados de la simulacin en estado estable final. ............................................42 Tabla 12: Perfiles de temperatura y concentraciones de la columna C2 en simulacin estable..............................................................................................................................................43 Tabla 13: Perfiles de temperatura y concentraciones de la columna C1 en simulacin estable..............................................................................................................................................44 Tabla 14: Configuracin de los controladores de la secuencia de deshidratacin de etanol, utilizando al benceno como agente separador. .....................................................................54 Tabla 15: Propiedades de la corriente de alimentacin del proceso de produccin de etanol anhidro utilizando al benceno como separador. ....................................................................60 Tabla 16: Perfiles estables de temperatura y concentraciones de la columna C2 despues de 50 hrs de simulacion dinamica..............................................................................................60 Tabla 17: Perfiles estables de temperatura y concentraciones de la columna C1 despues de 50 hrs de simulacion dinamica..............................................................................................61 Tabla 18: Lista del equipo de la secuencia de produccin de etanol anhidro y su configuracin final usada para su simulacin en la suite de Aspen. ..................................62 Tabla 19: Base de reglas de los controladores. ....................................................................81 Tabla 20: Parmetros de configuracin de los controles difusos en la secuencia de produccin de etanol anhidro................................................................................................82 Tabla 21: Reglas de inferencia de ambos controladores difusos. .........................................84 Tabla 22: Cdigo fuente de Aspen Custom Modeler para simular perturbaciones, aumento de etanol a 86% mol. ............................................................................................................88 Tabla 23: Resultados de los experimentos de perturbacin a 25 hrs. de simulacin.............89 Tabla 24: Propiedades de las corrientes de alimentacin antes de la reduccin.................105 Tabla 25: Productos de la columna C1 antes de la reduccin.............................................105 Tabla 26: Corrientes de alimentacin despus de la reduccin. .........................................105 Tabla 27: Productos de la columna C1 despus de la reduccin. .......................................106 Tabla 28: Productos al regresar al valor de flujo inicial. ......................................................106 Tabla 29: Productos de la columna C1 a 0.12 kmol/s, en un segundo estado estable. .......106 Tabla 30: Formulas para configurar controladores por Cohen Coon. ..................................107 Tabla 31: Parmetros obtenidos por Cohen-Coon. .............................................................108 Tabla 32: Parmetros obtenidos de las graficas de respuesta. ...........................................112 Tabla 33: Configuracin final de los controladores de la secuencia. ...................................113 Tabla 34: Cdigo MatLab del modelo de una columna de destilacin binaria ideal. .........118

Tabla de contenido

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Tabla 35: Formato general del cdigo fuente en Aspen Custom Modeler........................121 Tabla 36: Cdigo del modelo de la columna de destilacin binaria ideal en Aspen Custom Modeler. ..........................................................................................................................122 Tabla 37: Cdigo de un controlador PI en Aspen Custom Modeler. ................................123 Tabla 38: Distribucin de las reglas ....................................................................................129 Tabla 39: Reglas definidas para nuestro sistema................................................................130 Tabla 40: Pseudo cdigo inicial. .........................................................................................130 Tabla 41: Cdigo de un controlador difuso normalizado en Aspen Custom Modeler. ......131 Tabla 42: Desglose de las variables del modelo de controlador difuso normalizado. ..........133 Tabla 43: Propiedades de la columna CENIDET. ...............................................................137 Tabla 44: Datos de la columna [41].....................................................................................137 Tabla 45: Comparacin de resultados de la simulacin en Aspen...................................138 Tabla 46: Parmetros de la secuencia batch en Aspen...................................................139 Tabla 47: Parmetros de la columna en simulacin continua..............................................140 Tabla 48: Resultados de la simulacin continua en Aspen Plus. .....................................140

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Resumen

En este trabajo de tesis se implementa a nivel simulacin, una planta de destilacin para producir etanol anhidro, basada en la configuracin para la deshidratacin de etanol presentada por William Luyben en su libro DISTILLATION DESIGN AND CONTROL USING ASPEN SIMULATION, publicado por JOHN WILEY & SONS, INC. en el ao 2006. Dicha configuracin utiliza la destilacin azeotrpica heterognea y al benceno como agente separador orgnico.

El paquete de simulacin utilizado es la Suite de Ingeniera de Aspen, un paquete simulacin de procesos de amplia utilizacin en la industria. La implementacin se puede dividir en dos partes generales, la primera, la construccin del diagrama de flujo y su simulacin en estado estable, esto en el paquete Aspen Plus. La segunda, la construccin de la estructura de control y la simulacin dinmica, utilizando el paquete Aspen Dynamics, ambos parte de la Suite.

La primera fase es relativamente simple, pues prcticamente toda la informacin necesaria para la simulacin en estado estable se encuentra en al libro de W. Luyben. Sin embargo, no presenta toda la informacin necesaria para la implementacin de la estructura de control del proceso y por lo tanto de la simulacin dinmica. Por esta razn se realiza la configuracin de varios controladores PI por el mtodo de la curva de reaccin (Cohen-Coon). Se adiciona tambin el problema de la utilizacin adecuada de un software nuevo.

La simulacin dinmica de la secuencia implementada presenta un producto de etanol con una pureza de 99.56% mol, esta pureza es mayor con respecto al que documenta Luyben, de 99.25% mol. En trminos generales, la mayor problemtica del proceso se encuentra en mantener la cantidad adecuada de agente separador (Benceno en este caso) en la columna azeotrpica, sin embargo, es sistema obtenido de un proceso de destilacin azeotrpica heterognea presenta otras problemticas importantes, como son altos ndices de sensibilidad y multiplicidad de estados.

Adicionalmente, se implementa un modelo de un controlador difuso normalizado de tipo mamdani, esto en el paquete de desarrollo de modelos Aspen Custom Modeler, con el fin de probar la capacidad de la Suite de ingeniera de Aspen para el desarrollo de controladores complejos. Este modelo es instalado y simulado de forma dinmica en el proceso de produccin de etanol anhidro, obteniendo buenos resultados.

Por otra parte, se incluye el desarrollo de un diagrama de flujo que simula a la planta piloto de destilacin de CENIDET, comprobando los resultados obtenidos por medio de los datos de estado estable experimentales de un proceso por lotes de concentracin de etanol en la misma, estos datos son presentados en la tesis Observador Continuo-Discreto para la Estimacin de Concentraciones en una Columna de Destilacin, para la Mezcla Etanol-Agua, Aguilera, CENIDET 2008.

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Abstract In this thesis work, a distillation plant to produce anhydrous ethanol is implemented at simulation level, based in the configuration for the ethanol dehydration presented by William Luyben in hes book: DISTILLATION DESIGN AND CONTROL USING ASPEN SIMULATION, published by JOHN WILEY & SONS, INC. in 2006. This configuration uses the heterogenous azeotropic distillation and the benzene as organic entrainer.

The simulation package used is the Aspen Engineering Suite, this simulation software is a ample use software in the processes industry. The implementation can be divided in two general parts, first, the construction of the flow sheet and their simulation in steady state, this in the package Aspen Plus. Second, the construction of the control structure and the dynamic simulation, using the package Aspen Dynamics, both part of the Aspen Engineering Suite.

The first stage is relatively simple, because practically all the necessary information for the steady state simulation is reported in the book of W. Luyben. Nevertheless, it does not present all the necessary information for the implementation of the process control structure and therefore of the dynamic simulation. This is reason to improve the configuration of several PI controllers using the method of the reaction curve (Cohen-Coon). The problem of the suitable use of a new software is also added.

The dynamic simulation of the implemented sequence presents an ethanol product with a purity of 99,56% mol, this purity is greater with respect to the one than it documents Luyben, of 99,25% mol. In general terms, the major problematic in the process is maintaining the suitable amount of entrainer (Benzene in this case) in the azeotropic column, nevertheless, the obtained system of a heterogenous azeotropic distillation process presents other important problematics, as they are high sensitivity and multiple steady states.

Additionally, a standard diffuse controller modelo, mamdani type, is implemented, this in the model development software Aspen Custom Modeler, with the purpose of to prove the capacity of the Suite of engineering of Aspen for the development of complex controllers. This model is installed and simulated dynamically in the anhydrous ethanol production process, obtaining good results.

On the other hand, the development of a flow sheet than simulate the CENIDET distillation pilot plant is included, verified by the results obtained by steady state experimental data from a batch process of ethanol concentration in the same, these data are presented in the thesis Observador Continuo-Discreto para la Estimacin de Concentraciones en una Columna de Destilacin, para la Mezcla Etanol-Agua, Aguilera, CENIDET 2008.

Introduccin

Introduccin

2

Introduccin

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Introduccin El alto precio y la nocividad al ambiente de los combustibles derivados del petrleo ha puesto en alerta a los gobiernos de los pases en todo el mundo, haciendo evidente la necesidad de fuentes de energa alternativas.

El etanol es una de las alternativas ms importantes e incluso pases como Brasil, Suecia y Estados Unidos ya lo utilizan en su parque de automviles.

El etanol es un alcohol producido a travs de la fermentacin de los azucares o del almidn extrado de la biomasa de ciertos cultivos y de los desechos agrcolas o forestales. El etanol producido de estas materias primas tambin se denomina bioetanol. En Estados Unidos se extrae del maz; en Brasil, de la caa de azcar; en Espaa, de la remolacha, y en los pases nrdicos de la celulosa procedente de la madera.

El etanol mezclado en diversa proporciones con la gasolina (85:15 es la mas frecuente) puede ser utilizado como combustible en automviles. Su uso no debera entraar mayores problemas en los vehculos producidos en serie actuales, siendo necesario que para el caso ms complicado la modificacin de ciertos elementos relativos a la inyeccin y al encendido, las juntas del motor y los conductores de combustible; sin que ello pueda significar un coste excesivo. Hoy ya se fabrican coches preparados especficamente para utilizar tanto gasolina como diversas mezclas etanol/gasolina, son los denominados "coches flexibles" o flexifuel.

En pases como Suecia, Canad o Estados Unidos es preceptivo expender gasolina mezclada con un 5% de etanol debido a sus propiedades antidetonantes, ya que eleva el octanaje de las gasolinas en sustitucin de otras substancias de efectos nocivos.

Entre otras ventajas, el etanol, al ser un recurso renovable, minimiza la dependencia de las importaciones de combustible y, comparado con los combustibles tradicionales, produce menos emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero, con un balance global positivo ya que las emisiones de CO2 se compensan al ser absorbidas durante el proceso de regeneracin de la materia vegetal que sirve de base para la produccin del etanol.

La produccin de etanol por fermentacin provee una mezcla de etanol-agua que tiene una concentracin de etanol de entre 4% mol y 6% mol [1], por lo que se hace pasar por una etapa de concentracin de donde se obtiene una mezcla etanol-agua con una concentracin que no supera el 89.99% mol de etanol, a presin atmosfrica [2], sin embargo el contenido de agua presente en la mezcla, a pesar de ser pequeo, es perjudicial para los motores de combustin interna porque provoca problemas de corrosin.

Entre las alternativas tecnolgicas para generar un etanol anhidro estn la destilacin, la adsorcin, la pervaporacin y combinaciones de estas.

La adsorcin es un proceso en el cual se usa un slido con una superficie interna muy grande (entre 500-1500 m2/g) para eliminar una sustancia soluble en el agua, pero implica inconvenientes como un elevado capital de inversin, la necesidad de regeneracin y el reemplazo peridico del tamiz molecular.

Introduccin

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La pervaporacin es la evaporacin selectiva de un componente de una alimentacin lquida al ponerla sta en contacto con una membrana semi-permeable, no se ha explotado comercialmente por lo que es costoso e implica una produccin a pequea escala.

La destilacin es la un mtodo para separar mezclas mediante calor, aprovechando los diferentes puntos de ebullicin de cada una de las sustancias. Esta es la tecnologa ms usada a escala industrial para producir etanol anhidro en sus diversas variantes.

La dificultad de separar la mezcla etanol-agua por destilacin radica en su comportamiento termodinmico, pues forma una mezcla azeotrpica; es decir una mezcla lquida de dos o ms componentes que posee un nico punto de ebullicin, y que al pasar al estado vapor se comporta como un lquido puro, o sea como si fuese un solo componente. Por lo que es necesario implementar tcnicas de destilacin no ideales:

Destilacin extractiva con sales: Se agrega a la mezcla como agente separador una sustancia salina para desplazar o romper el azetropo y as permitir la separacin. Su dificultad radica en la prediccin del equilibrio de fases y en problemas de corrosin del equipo.

Destilacin azeotrpica heterognea (con solventes): Se agrega a la mezcla como agente separador a una sustancia que induce la separacin de la mezcla en dos diferentes fases liquidas.

Destilacin azeotrpica homognea: Se agrega a la mezcla como agente separador a una sustancia que no provoca la separacin de fases de la mezcla.

Planteamiento del problema El control del proceso de produccin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea, es un problema importante, provocado por un comportamiento altamente no ideal de la mezcla y a una alta sensibilidad a pequeos cambios.

Sin embargo en cenidet no se cuenta con un equipo adecuado para desarrollar este proceso, ni con informacin terica previa que sirva como base para su estudio.

Por lo tanto el problema es contar con la informacin de base suficiente para el estudio del problema de control que representa la produccin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea, sin depender de un equipo de proceso.

Solucin Propuesta Se propone implementar a nivel simulacin una secuencia de destilacin para producir etanol anhidro por destilacin azeotrpica heterognea usando el benceno como agente separador, reproduciendo la secuencia propuesta por W. Luyben en [1], en el software de simulacin comercial como es la suite de ingeniera de Aspen.

Adems de implementar una tcnica de control alternativa para conocer los limites de las modificaciones que la implementacin podr permitir.

Introduccin

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Justificacin o La produccin de combustibles no fsiles es una problemtica actual y de gran

importancia en el estilo de vida del hombre, debido principalmente a la contaminacin del medio ambiente.

o En Mxico la alternativa de produccin de etanol anhidro para su utilizacin como combustible es una tecnologa que no ha sido explotada como en otros pases.

o En el caso de CENIDET, este un tema de inters para el grupo interdepartamental de diseo y control de procesos.

o Se puede desarrollar dentro del rea de la mecatrnica por la necesidad de combinar diferentes reas del conocimiento como qumica, termodinmica, control de procesos y simuladores (computacin).

Objetivos. Objetivo General Simular y controlar una secuencia para la produccin de etanol anhidro.

Objetivos Particulares Predecir el equilibrio de fases de la mezcla Etanol-Agua y Etanol-Agua-Benceno

en el software Aspen Split. Reproducir y simular la secuencia propuesta por Luyben [1] para la produccin de

etanol anhidro en los paquetes Aspen Plus y Aspen Dynamics. Realizar un anlisis de sensibilidad del sistema. Reproducir el esquema de control de la planta, propuesta por Luyben [1]. Proponer un esquema de control alternativo. Implementar este control a nivel simulacin de la planta. Realizar un anlisis comparativo de los resultados obtenidos con el control

alternativo con respecto al control propuesto por Luyben [1].

Hiptesis. A partir de informacin proporcionada por W. Luyben en [1] es posible implementar (reproducir) una secuencia de destilacin azeotrpica heterognea para producir etanol anhidro, as como tambin su estructura de control, permitiendo adems modificar dicha estructura con el objetivo de incorporar controladores avanzados al sistema, adems obtener informacin suficiente acerca del problema de control que representa este proceso.

Alcances y limitaciones. Se contara con una simulacin dinmica del proceso de deshidratacin de etanol, as como de su estructura de control.

Este modelo ser implementado en la suite de ingeniera de Aspen, un software comercial de simulacin de procesos qumicos de amplia utilizacin en la industria.

Se contara con un anlisis del comportamiento de la mezcla que se procesa para obtener etanol anhidro y un anlisis del comportamiento de la secuencia del proceso en base a su sensibilidad.

Introduccin

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Se contara adems con un modelo de un controlador avanzado, que pueda utilizarse en el control de la simulacin del proceso de produccin de etanol anhidro y en otros modelos desarrollados en la suite de ingeniera de Aspen.

Al final se contar con un simulador de la secuencia de destilacin para la produccin de etanol anhidro, incluida su estructura de control.

Aportaciones y beneficios. Se pretende que la simulacin del proceso de destilacin de etanol anhidro implementada permita la experimentacin de diferentes estructuras de control y diferentes configuraciones de los controladores instalados, adems de permitir la substitucin de substancias y del equipo que interviene en el proceso con el fin de experimentar nuevas posibilidades de produccin de etanol anhidro.

El desarrollo de un control avanzado abrir la posibilidad de la implementacin de controladores y estructuras de control ms complejas y eficientes en la suite de ingeniera de Aspen, que puedan ser simuladas con el fin de mejorar el proceso.

En general la experiencia obtenida en el manejo de un software de simulacin especializado, sentar las bases para el desarrollo de proyectos ms complejos y confiables, de una manera relativamente ms simple y rpida, aprovechando una herramienta de simulacin moderna y de amplia utilizacin en la industria.

Organizacin del texto. En el capitulo 1 se muestran los conceptos, teora y estado del arte referente a la produccin de etanol anhidro. Se describe el comportamiento de las substancias y las mezclas que se consideran importantes en el proceso.

El capitulo 2 nos presenta el proceso de destilacin azeotrpica heterognea y la configuracin para producir etanol anhidro expuesta por William Luyben en [1]. Se describe al software de simulacin Aspen Plus y como se selecciona el equipo para construir el diagrama de flujo del proceso, tambin se explica como fue seleccionado el modelo de equilibrio de fases para generar la simulacin. Se enlistan los parmetros del equipo y finalmente se presentan los resultados obtenidos de la simulacin en estado estable del proceso para la obtencin de etanol anhidro, as como la multiplicidad de estados presente en el sistema y un anlisis de sensibilidad del proceso.

En el capitulo 3 se explican los lazos de control de la secuencia propuesta por Luyben en [1], se detallan los resultados de la simulacin dinmica del proceso de deshidratacin de etanol con benceno. Se configuran e implementan controles PI propuestos en [1] y finalmente se presenta un anlisis del desempeo del sistema y sus controladores.

En el capitulo 4 se expone el proceso de implementacin de un controlador difuso normalizado implementado en Aspen Custom Modeler, primero se explica de forma simple el funcionamiento de esta interfaz de modelado, posteriormente se expone el funcionamiento del modelo y al final se presenta la experimentacin del controlador difuso en le secuencia de deshidratacin de etanol, realizando pruebas comparativas con el control convencional y su desempeo ante perturbaciones en la concentracin en corriente de alimentacin de la secuencia.

Introduccin

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Finalmente en el capitulo 5 se establecen las conclusiones de este trabajo de tesis, as como recomendaciones para el uso del modelo y de la suite de ingeniera de Aspen, adems de presentar las posibilidades de experimentacin y desarrollo en el que este trabajo puede apoyar.

Al final del documento se incluyen las referencias de los trabajos sirvieron de apoyo para el desarrollo de este trabajo de tesis y los anexos con informacin detallada sobre este trabajo.

Introduccin

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Captulo 1

Fundamentos Tericos.

En este capitulo se describe el proceso de destilacin, se explica que es un azeotrpo y las diferentes tcnicas que se pueden emplear para separar mezclas azeotrpicas, necesarias para poder producir etanol anhidro.

Adems, dada la importancia de contar con un conocimiento del comportamiento de la mezcla azeotrpica que se desea separar, se incluye un breve anlisis de las mezclas binarias que se forman y un anlisis de la mezcla etanol agua benceno.

Capitulo 1 Fundamentos Tericos

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La base de la destilacin es el equilibrio de de fases, es decir la relacin que tienen entre si las substancias qumicas que estn en contacto ntimo. La destilacin puede llevar a cabo la separacin de componentes qumicos solo si la composicin de las fases liquida y vapor, que estn en equilibrio entre ellas, son diferentes. Un conocimiento razonable del equilibrio de fases es necesario para el anlisis, diseo, y control de las columnas de destilacin.

1.1 La destilacin. El objetivo general de la destilacin consiste en separar los compuestos que tienen diferentes presiones de vapor a una determinada temperatura [3]. La destilacin, se refiere a la separacin fsica de una mezcla lquida en dos o ms fracciones que tienen distintos puntos de ebullicin.

Si se calienta una mezcla lquida de dos materiales voltiles, el vapor que se separa tendr una mayor fraccin molar del material de menor punto de ebullicin. Y as mismo el lquido tendr una fraccin molar mayor del material de mayor punto de ebullicin. Considerando a la inversa, si se enfra un vapor caliente, el material de mayor punto de ebullicin tiende a condensarse en mayor proporcin que el material de menor punto de ebullicin.

El objetivo de la destilacin es separar, mediante vaporizacin, una mezcla lquida de substancias voltiles miscibles en sus componentes individuales, o bien, en algunos casos, en grupos de componentes.

La destilacin se puede realizar en la prctica siguiendo dos mtodos fundamentales [4]:

El primero se basa en la produccin de un vapor mediante la ebullicin de la mezcla lquida que se desea separar, procediendo posteriormente a la condensacin del vapor sin que nada del lquido retorne al rehervidor o se ponga en contacto con el vapor [4].

El segundo mtodo se basa en el retorno de parte del condensado a la columna, en condiciones tales que el lquido que desciende se pone en contacto con el vapor que va hacia el condensador [4].

Ambos mtodos pueden ser llevados a cabo en forma continua o discontinua [4].

El equipo que se utiliza para realizar una destilacin es la columna de destilacin o columna fraccionaria o combinaciones de ellas.

1.1.1 Columna de destilacin o Columna fraccionaria. Una columna de destilacin consiste en un recipiente vertical con suficiente altura para que en su espacio interior hagan contacto las corrientes de vapor y el lquido con el propsito de que se efecte una transferencia de masa entre las dos fases. El contacto de las dos fases en general se lleva a cabo mediante una serie de platos o etapas [4].

En condiciones normales de operacin, una cierta cantidad de lquido se aloja en cada plato y existen dispositivos internos (empaques, vlvulas o cachuchas) para que los vapores ascendentes pasen a travs del lquido y hagan contacto con l. El


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lquido desciende y fluye del plato superior al plato inferior, y el vapor se eleva desde una etapa baja hasta la etapa siguiente superior, realizando en cada una de las etapas una transferencia de masa provocada por una transferencia de calor entre las corrientes vapor y liquida en contacto, como se muestra en la figura 1.

Figura 1: Diagrama bsico de una columna de destilacin [4].

El requisito fundamental de una columna de destilacin [5] es que proporcione una superficie de contacto para la transferencia de masa entre el lquido y el vapor a la velocidad deseada. Existen columnas de platos en las cuales el lquido fluye a contra corriente descendiendo por el mismo orificio por el cual se eleva el vapor.

A medida que el vapor asciende por la columna, los componentes con punto de ebullicin ms alto comienzan a condensarse, mientras que los materiales con punto de ebullicin inferior ascienden a las etapas ms altas. As se establece un gradiente de temperatura, y se alcanza la temperatura mas alta en la parte inferior de la columna y la temperatura mas baja en la parte superior, de donde se puede retirar la solucin con punto de ebullicin mas bajo.

Cuando dos componentes siguen la ley de Raoult, la proximidad de sus puntos de ebullicin determina la cantidad de platos tericos necesarios para la separacin. Si los puntos de ebullicin estn bastantes separados bastan pocos platos, mientras que cuando los puntos de ebullicin estn muy cercanos se requieren muchos platos tericos.

Aunque en ocasiones se emplea la palabra equilibrio para referirse a la columna en operacin, es mas correcto decir que la columna se encuentra en estado estable; pues en un sentido termodinmico, ni se establece un equilibrio verdadero en toda ella, ya que no existe una temperatura uniforme y hay un flujo a contracorriente de liquido y vapor, que es otra condicin que no permite el equilibrio.

1.1.2 Azeotrpos. La separacin simple de dos substancias se relaciona con lquidos que forman una mezcla que se comporta idealmente como el que se ve en la figura 2.


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Figura 2: Mezcla binaria con comportamiento ideal.

Sin embargo, existen mezclas que no siguen la ley de Raoult (no ideales), como es la que se muestra en la figura 3, a este tipo de mezcla en particular se le denomina azeotrpo.

Figura 3: Mezcla binaria no ideal, azeotrpica.

Un azeotrpo puede describirse como una mezcla que en ciertas condiciones de temperatura y presin se comporta como un compuesto puro, como una sola fase. En otras palabras, los dos lquidos que forman la mezcla tienen su punto de ebullicin (cambio de fase) a la misma temperatura.

En general un estado azeotrpico se define como un estado en el cual ocurre una transferencia de masa entre dos fases mientras la composicin de cada fase se mantiene constante [6].

Un azeotrpo representa un problema importante para la destilacin, que como se explic anteriormente, aprovecha la diferencia del punto de ebullicin de los compuestos que forman una mezcla para poder llevar a cabo su separacin. Sin


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embargo existen tcnicas de destilacin que permiten separar mezclas azeotrpicas.

1.1.3 Destilacin azeotrpica. El proceso de destilacin utilizado para separar azeotrpos se conoce como destilacin azeotrpica, sin embargo, en algunas mezclas el azeotrpo puede superarse modificando la presin a la que se encuentra, es decir, verificar su sensibilidad a la presin [6].

Esto se comprueba si la composicin azeotrpica cambia en una cantidad razonable con cambios moderados de presin; si el azeotrpo desaparece entonces una secuencia de destilacin relativamente directa puede lograr la separacin de la mezcla original en sus componentes puros.

Si la mezcla azeotrpica no es sensible a la presin, ser necesario agregar un tercer componente, al que le referir como agente separador o simplemente separador, para hacer posible la separacin de la mezcla.

Los agentes separadores pueden clasificarse en al menos cuatro distintas categoras [6], las cuales pueden identificarse por la forma en la que estos hacen posible la separacin:

o Agente separador lquido que no induce una separacin de fases liquidas en la mezcla ternaria. La destilacin de este tipo se conoce como destilacin azeotrpica homognea, con la clsica destilacin extractiva como un caso especial.

o Agente separador lquido que induce una separacin de fases liquidas en la mezcla ternaria. Una destilacin de este tipo se le conoce como destilacin azeotrpica heterognea.

o Agente separador que reacciona con uno de los componentes de la mezcla binaria original, conocidos como separadores reactivos.

o Agente separador que ionicamente se disocia en la mezcla original binaria y mueve la composicin del azeotrpo binario. Un ejemplo son las sales inorgnicas. A esta se le conoce como destilacin extractiva con sales.

Que un determinado agente separador sea eficaz o ineficaz en la separacin de una mezcla azeotrpica, depender en gran medida del ambiente de equilibrio de fases de la mezcla ternaria o de la mezcla multicomponente resultante.

Por lo que la eficacia de un agente separador es una propiedad termodinmica intrnseca de la mezcla y no de los componentes individuales.

Por lo tanto lo primero que se debe hacer es estudiar la estructura y propiedades de los diagramas de fase de las mezclas azeotrpicas que se forman.

1.2 Estado del arte de la deshidratacin de etanol. La destilacin aplicada a la obtencin de etanol anhidro es tan antigua como la de los mismos combustibles de origen fsil y los motores de combustin interna. Henry Ford hizo el primer diseo de su automvil Modelo T en 1908 y esperaba utilizar el etanol


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como combustible. De 1920 a 1924, la Standard Oil Company comercializ un 25 % de etanol en la gasolina vendida en el rea de Baltimore. Sin embargo, los elevados precios del maz, junto con las dificultades de almacenamiento y transporte, hicieron abandonar el proyecto [7].

A finales de la dcada de los veinte y durante la dcada de los treinta, se hicieron esfuerzos para recuperar sin xito esta iniciativa. A raz de esta decada en la utilizacin del etanol, Henry Ford y diversos expertos unieron fuerzas para promover su recuperacin. Se construy una planta de fermentacin en Atchinson (Kansas) con un potencial para producir 38,000 litros diarios de etanol para automviles. Durante los aos treinta, ms de 2,000 estaciones de servicio en el mediano oeste vendieron este etanol hecho de maz al que denominaron gasol. No obstante, la competencia de los bajos precios del petrleo oblig al cierre de la planta de produccin de etanol a mediados de los aos cuarenta. Como consecuencia, se acab el negocio de los granjeros americanos y el etanol fue sustituido definitivamente por el petrleo [7].

Para reducir la produccin de contaminantes generados por uso de combustibles fsiles, sobre todo en el uso de los automviles, se plantea como una de las alternativas es el uso del etanol como combustible o aditivo oxigenante para la gasolina. Esta tecnologa es dominada principalmente por brasil y E.U.A. quienes son los mayores productores de etanol, entre otros [8][9].

Las investigaciones relacionadas con la produccin de etanol se enfocan a varios temas como son: la materia prima para producir etanol, la prediccin del equilibrio de fases de la mezcla etanol agua - separador, el desarrollo de secuencias de proceso para producir etanol anhidro, la seleccin de agentes separadores y el desarrollo de estructuras de control eficientes para el proceso de deshidratacin.

La materia prima de donde se puede obtener el etanol es materia vegetal con alto contenido de sacarosa, almidn o celulosa. Estas sustancias son abundantes en vegetales como la caa de azcar, remolacha, maz, papa, residuos agrcolas, etc., estas investigaciones son principalmente a nivel local, para aprovechar desperdicio de materia vegetal o para explotar un cultivo que es abundante en alguna localidad en particular [8] [9] [10] [11].

Otros proyectos estn enfocados al desarrollo de tcnicas para la deshidratacin del etanol como la destilacin azeotrpica heterognea, la pervaporacin y separacin con sales [12].

En el caso especifico de la destilacin azeotrpica heterognea, que es nuestro tema de estudio, las investigaciones son acerca de los diferentes agentes separadores existentes analizando sus capacidades de separacin con diferentes mezclas azeotrpicas especificas y la concentracin optima de este, el benceno, ciclohexano, glicerol, Acetato de etilo, entre otros [13] [14].

En el trabajo de Meirelles [15], se relata la investigacin sobre destilacin extractiva, utiliza una planta piloto para producir etanol anhidro, donde se obtiene los perfiles de concentraciones a diferentes concentraciones de alimentacin del separador y razones de reflujo, de una destilacin extractiva utilizando etilenglicol como agente separador.


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Complementa sus resultados con una simulacin utilizando la ecuacin NRTL para describir el equilibrio de fases, produciendo etanol con una pureza de 99.5% mol.

Mller [16] en su estudio separa la mezcla de etanol-agua utilizando como separador al ciclohexano, explicando que el proceso es altamente sensible a perturbaciones en los parmetros del proceso, realizando un anlisis dinmico a travs de un modelado, simulacin y estudios experimentales.

En otro estudio de Mller [17] se verifica de forma experimental la existencia de mltiples estados estables en la destilacin azeotrpica heterognea, implementando una deshidratacin de etanol usando tambin el ciclohexano como separador.

Beckley [18] compara un conjunto de secuencias para deshidratar etanol por una destilacin azeotrpica heterognea usando el benceno como separador con el apoyo del software ASPEN PLUS llamado Distil y otro llamado Hysys, con el objetivo de validar un procedimiento para realizar comparaciones preliminares, de estas secuencias, la primera de dos columnas y la segunda de tres columnas, los parmetros para la comparacin fueron el nmero de platos y un factor que toma en cuenta el caudal de vapor total del sistema.

Dentro del rea de estudio del equilibrio de fases se encuentra el trabajo de Fang-Zhi et al [19] donde discute cmo predecir el equilibrio vapor-liquido (VLE) y Vapor- Liquido-Liquido (VLLE) de una destilacin azeotrpica heterognea de una forma mas precisa y propone un algoritmo de simulacin de una destilacin de tres fases.

El control del proceso de destilacin azeotrpica heterognea es un tema bastante extenso, principalmente por el inters en la complejidad del proceso por su sensibilidad a perturbaciones pequeas, por lo que un control eficiente es un tema de estudio importante. Como se explica por ejemplo en:

El trabajo de Chien [20] explica la complejidad del control de una destilacin azeotrpica heterognea y estudia de forma experimental las estrategias de control convencionales para una columna de destilacin azeotrpica heterognea equivalente a la de la separacin del etanol.

Dentro del control convencional tambin encontramos el trabajo de Gil [21] en el cual se realiza el control proporcional de una columna, controlando el acumulador de reflujo y el re hervidor. Usando el criterio de pendiente, anlisis de sensibilidad y descomposicin.

Otros trabajos estn enfocados a la bsqueda de las variables mas importantes a controlar como el estudio de Rovaglio et al [22], donde se controla una destilacin azeotrpica heterognea para deshidratar etanol, considera que la cantidad de separador y el perfil de composicin son crticos para un control estable, utiliza el benceno como separador. Y en la patente de Shinskey [23] donde realiza el control de dos columnas de destilacin, una produce un etanol azeotrpico a una concentracin preestablecida que es tratada en la segunda columna, donde se controla la temperatura y el control de flujo de producto, para controlar la cantidad de separador en la mezcla.


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Un control mas elaborado se aborda en trabajos como el de Cristea et al [24] quien presenta una alternativa aproximada al control predictivo no lineal basada en una linealizacin iterativa de la respuesta del modelo, de manera que las respuestas en lazo cerrado sean las mismas que las obtenidas con el mtodo no lineal pero con un tiempo de clculo mucho menor, implementado en un proceso de destilacin de etanol. Y el de Rovaglio [25] considera que la concentracin del separador y el perfil de composicin son elementos crticos para mantener la calidad del producto y plantea el desarrollo de una estructura avanzada de control basada en una estrategia de realimentacin no lineal hacia delante, este desarrollo est basado en un modelo dinmico riguroso para el caso de la deshidratacin del etanol con el benceno como separador.

Por ultimo Luyben en [1], nos presenta una simulacin dinmica de un proceso de destilacin azeotrpica heterognea para obtener etanol anhidro utilizando el modelo de equilibrio UNIQUAC, proporcionando un diagrama de flujo del proceso, la configuracin del equipo y una breve descripcin de los lazos de control.

Sin embargo, la mayora concluye en prcticamente lo mismo, el proceso de destilacin de etanol anhidro es una tarea compleja, donde la concentracin del agente separador, encargado de romper o mover el azeotrpo, es uno de los principales problemas de control, provocando una alta sensibilidad de proceso; que la separacin de la mezcla etanol-agua-benceno presenta multiplicidad de estados, confirmados por simulacin, de forma matemtica (de acuerdo al anlisis matemtico de la termodinmica de la mezcla [26]) y de forma experimental.

Estos trabajos son solo parte de las publicaciones encontradas, en general se puede concluir que la simulacin del proceso de produccin de etanol anhidro por destilacin azeotrpica heterognea es una tarea complicada, por presentar un comportamiento altamente sensible y multiplicidad de estados. Y por lo tanto el establecimiento de una estructura de control es un problema desafiante.

As tambin, el desarrollo de una secuencia de proceso es muy complejo y requiere de conocimientos avanzados sobre procesos qumicos y termodinmicos. Por esta razn se elige una secuencia de proceso ya desarrollada, con el fin de enfocar nuestros esfuerzos al desarrollo de tcnicas de control ms complejas.

Por lo tanto, las referencias que arrogan informacin importante para nuestro proyecto son:

Luyben [1], donde se proporciona mucha informacin sobre una secuencia de proceso para producir etanol anhidro por destilacin azeotrpica heterognea utilizando al benceno como separador.

Brandani [30], donde se proporciona informacin suficiente para validar el modelo de equilibrio de fases que se utilice en la simulacin del proceso.

Stephanopoulos [35], que contiene la teora necesaria para configurar controladores.

Garduo [36], Driankov [37] y Wang [38], con la teora necesaria para desarrollar un modelo de un controlador avanzado como es un controlador difuso normalizado.


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Y adicionalmente, la informacin necesaria para poder utilizar eficientemente a la suite de ingeniera de Aspen, que puede ser encontrada en los mltiples manuales de usuario de los paquetes que la integran.

Por todo lo anterior, se puede decir que el presente trabajo se ubica en el estudio del problema de control que representa el proceso de produccin de etanol anhidro por destilacin azeotrpica heterognea utilizando al benceno como separador, implementando una tcnica avanzada de control; como es el control por lgica difusa.

1.3 Descripcin del comportamiento de la mezcla Etanol - Agua - Benceno. Como se ha explicado anteriormente, es importante contar con un conocimiento suficiente del equilibrio de fases de la mezcla para poder llevar a cabo la separacin de la mezcla en un proceso de destilacin azeotrpica heterognea. Por lo que es fundamental conocer como se comporta la mezcla, para conocer la complejidad del problema.

La mezcla que se pretende separar es la mezcla etanol-agua, esta forma un azeotrpo que evita que la pureza de etanol supere el 89.9 % molar, a una presin de 1 atm, que es una concentracin aproximada de 96 % volumtrico (alcohol comercial).

Para superar el azeotrpo se agrega una tercera sustancia a la mezcla: el benceno. El benceno altera las propiedades del agua dentro de la columna, volviendo al agua muy voltil.

1.3.1 Comportamiento de las mezclas binarias. A continuacin analizaremos el comportamiento de las mezclas binarias que se forman con los componentes que intervienen en el proceso.

1.3.1.1 Agua-Benceno. La mezcla agua benceno forma dos fases con miscibilidad parcial que se separan a temperatura ambiente [1].

El grafico de equilibrio de fases es complejo, figura 4, esta mezcla forma dos fases, una acuosa (miscibilidad parcial de ambas) y otra orgnica, por lo que posibilita la existencia de dos diferentes concentraciones a la misma temperatura.

En la parte central de la figura puede observarse lo que se puede considerar como un azeotrpo. Esto entre los puntos de pureza del 30% mol y 65% mol.


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Figura 4: Comportamiento del Agua en la mezcla Agua-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen.

1.3.1.2 Etanol-Agua. Esta es la mezcla original a separar, el etanol forma un azeotrpo con el agua, ver figura 5, que limita la pureza del etanol obtenido de un proceso de destilacin convencional a 89.9% mol [1].

Es por esta razn que no se puede obtener etanol por medio de una separacin simple.

Figura 5: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Agua a 1 Atm, figura generada en Aspen.


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Para superar este azeotrpo, se debe agregar un agente separador, en este caso el benceno.

1.3.1.3 Etanol-Benceno. En esta mezcla aparece otro azeotrpo [1], que se observa en la parte baja de la figura 6, en una concentracin de 44.5% mol. Este azeotrpo agrega aun mas la complejidad de la separacin, como se vera en el anlisis ternario.

Figura 6: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen.

1.3.2 Comportamiento de la mezcla ternaria Etanol-Agua-Benceno. Nuestro anlisis ternario inicia con la bsqueda de todos los azeotrpos presentes en la mezcla, utilizando la herramienta de Aspen Split, parte de la suite de ingeniera de Aspen.

Los azeotrpos localizados se muestran en la figura 7.

Estos azeotrpos no son iguales a los que se presentan en los grficos binarios, dada la presencia del tercer componente.

Estos cuatro azeotrpos crean fronteras que limitan a los procesos de destilacin.


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Figura 7: Azeotrpos presentes en la mezcla Etanol-Agua-Benceno, datos obtenidos en Aspen.

Figura 8: Diagrama ternario de la mezcla, figura generada en Aspen.


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Los cuatro azeotrpos ( ) se muestran en la figura 8, estos definen las fronteras de la destilacin, ests a su vez generan las reas en donde una destilacin puede moverse, es decir que una sola columna de destilacin solo puede obtener productos dentro de la misma rea donde se localicen las concentraciones de la mezcla alimentada.

Por lo anterior se puede observar que el proceso de deshidratacin de etanol no puede realizarse en una sola columna, pues nuestra alimentacin ( ) se encuentra en la zona numero 1 y nuestro producto ( ) se encuentra en la zona numero 2.

Captulo 2

Proceso de deshidratacin de etanol: Estado Estable.

En este capitulo se explicar el proceso de destilacin azeotrpica heterognea y la configuracin propuesta por Luyben en [1] para producir etanol anhidro.

Se describe la simulacin del proceso de produccin de etanol en estado estable y el equipo que integra la secuencia.

Tambin se discute como se seleccion el modelo de equilibrio de fases utilizado en la simulacin de acuerdo a un anlisis de datos experimentales del comportamiento de la mezcla ternaria Etanol Agua - Benceno y los problemas inherentes a la implementacin y simulacin de procesos complejos como este, tales como: la multiplicidad de estados y la alta sensibilidad a pequeas perturbaciones en la presin y temperatura de operacin.

Capitulo 2 Proceso de deshidratacin de etanol: Estado Estable.

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2.1 Proceso de deshidratacin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea. Los orgenes de este proceso se remontan a ms de un siglo cuando fue necesaria la produccin de etanol de alta pureza. El etanol es ampliamente producido por el proceso de fermentacin. Una mezcla tpica obtenida por fermentacin contiene concentraciones muy bajas de etanol, de 4% molar a un 6% molar [1].

Figura 9: Proceso de deshidratacin de etanol por destilacin azeotrpica heterognea, segn la descripcin en [1].

Si esta mezcla se alimenta a una columna de destilacin, columna 1, que opere a presin atmosfrica, se puede producir agua de alta pureza, pero el etanol destilado no puede alcanzar una concentracin superior a 89.99% molar, esto ocurre por la presencia de un azeotrpo en la mezcla etanol-agua, como se explico en el capitulo 1.

El benceno trabaja como un separador ligero que al evaporarse se lleva al agua con l, gracias a miscibilidad parcial que existe entre ellos. Por esto el benceno vuelve al agua muy voltil.

El etanol sale por la parte baja de la columna 2, a pesar de que el agua es ms pesada, el punto de ebullicin normal del etanol es de 351.5K, mientras el del agua es de 373.2K.

El vapor que sale de la columna es una mezcla ternaria, compuesta por agua, etanol y benceno. Cuando esta se condensa, la repulsin entre las molculas de agua y las molculas orgnicas del benceno es tan grande que se forman dos fases liquidas.

Por esta razn, el tanque de reflujo se convierte en un decantador, la fase liquida mas ligera es bombeada de regreso a la columna como un reflujo orgnico y la fase liquida acuosa, mas pesada, contiene cantidades significativas de etanol y benceno por lo que es alimentada a una tercera columna de destilacin, columna 3, en donde el agua es extrada por la parte baja y el destilado se recicla hacia la segunda columna.

1 2

3 Etanol

4%-6% mol

Agua Agua EtOH

Separador


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2.2 Configuracin propuesta por Luyben [1]. Luyben retoma esta idea para producir etanol anhidro, Sin embargo, su configuracin no toma en cuenta a la columna de preconcentracin, iniciando a partir de la columna azeotrpica, columna 2 de la figura 9, y propone la secuencia conceptual que se presenta en la figura 10.

Figura 10: Secuencia conceptual [1].

Esta secuencia se alimenta con una mezcla cercana al azeotrpo de etanol-agua, con un concentracin de 84% mol de etanol y 16% mol de agua.

Los productos que deseamos obtener de este proceso es agua que se obtendr en la parte baja de la segunda columna, denominada C2, otro producto que obtendremos es etanol de alta pureza, en la parte baja de la primera columna, denominada C1.

Como se mencion en el capitulo 1, la alimentacin y el etanol se encuentran en regiones diferentes del diagrama ternario, al existir una frontera de destilacin entre ellos, por lo tanto no se puede alcanzar la separacin en una columna de destilacin simple, por esta razn se agrega un decantador que nos ayudara a cruzar la frontera y la segunda columna para alcanzar la pureza de etanol deseada.

El funcionamiento es el siguiente, se alimenta al proceso una mezcla de etanol-agua al 84% mol de etanol, en la primera columna (C1) existe una concentracin alta de benceno, esto provoca que el agua sea muy voltil, el etanol de alta pureza es obtenido en la parte baja de la columna, el vapor destilado es una mezcla ternaria que esta muy


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cerca del punto azeotrpico ternario, esta mezcla es enfriada en el intercambiador de calor y entra al decantador.

En el decantador se producen dos fases, una acuosa y otra orgnica, esta ltima es recirculada a la columna C1. La fase acuosa, con altas concentraciones de etanol y agua, es alimentada a la segunda columna (C2).

Aproximadamente un 50% molar de la alimentacin a la columna C2 es etanol y un 30% molar es agua, en la columna C2 se vuelve a concentrar el etanol hasta aproximadamente un 60% molar. El destilado ternario obtenido es reciclado a la columna C1 para seguir extrayendo etanol, pues todava contiene una gran cantidad de etanol, y en el fondo de la columna se obtiene agua de alta pureza.

2.3 Simulacin del proceso de deshidratacin de etanol: Estado Estable.

2.3.1 Software de simulacin Aspen Plus. Aspen Plus es el sistema de simulacin de estado estable de Aspen Tech, este puede ser utilizado para el modelado de una gran variedad de procesos industriales, incluyendo procesos qumicos, petroqumicos y refineras. Aspen Plus incluye una amplia librera de modelos de unidades de operacin que permiten una fcil interconexin para construir modelos de proceso personalizados.

Aspen Plus fue desarrollado en el MIT por L. Evans. Orientado a la industria de proceso, Qumica y Petroqumica, es el simulador que posiblemente sea el ms extendido en la industria.

Para implementar este proceso propuesto en la suite de simulacin de Aspen Plus, es necesario saber manejar cuatro componentes de esta:

o Aspen Plus: orientado al diseo y simulacin de procesos en estado estable.

o Aspen Dynamics: orientado a la simulacin dinmica de procesos, as como el control del mismo.

o Aspen Split: para la prediccin del equilibrio de fases. o Aspen Custom Modeler: para desarrollar modelos del equipo que integra

un proceso y aplicarlos a la simulacin, optimizacin y control de procesos continuos, por lotes o semi-continuos.

2.3.2 Construccin de la secuencia. El proceso est compuesto de:

o 2 columnas de destilacin. o Columna C1, es el corazn del sistema, de 31 etapas, no tiene

condensador. o Columna C2, de 22 etapas, tiene condensador y rehervidor.

o 1 decantador. o Cilndrico horizontal, dimensiones: 4mx2m.

o 1 intercambiador de calor.


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o 1 mezclador. o 5 bombas. o 8 vlvulas.

Posteriormente se darn detalles de cada uno de los equipos mencionados.

2.3.2.1 Diagrama de flujo: Seleccin de equipo e interconexin. o Columnas de destilacin. Se utilizaran columnas del modelo RadFrac, estas son especificadas en [1], pero de acuerdo con [27], es un modelo riguroso para la simulacin de todo tipo de operaciones de separacin vapor-liquido de mltiples fases, estas operaciones incluyen:

o Destilacin ordinaria. o Absorcin. o Stripping. o Destilacin Azeotrpica y extractiva.

Se selecciona la ficha Columns donde seleccionamos el modelo RadFrac.

Figura 11: Localizacin de los modelos RadFrac en la interfaz de Aspen.

o Decantador. El modelo Decanter simula decantadores y otros separadores de una sola etapa que no incluyan una fase vapor. Cuando se las condiciones de salida, este modelo determina las condiciones trmicas y de fase de la mezcla de una o varias corrientes de entrada.

Si existen dos fases liquidas en el decantador, el modelo decantador denomina a la fase con una densidad mas alta como la segunda fase.

Los datos ms importantes para configurar a este modelo son:

o Dimensiones. o Presin de operacin. o Perdidas de calor (adiabtico o no adiabtico).

Se selecciona la ficha Separators y posteriormente el modelo Decanter.


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Figura 12: Localizacin de los decantadores en la interfaz de Aspen.

o Intercambiador de calor. El modelo Heater puede ser utilizado para representar:

o Calentadores. o Enfriadores. o Vlvulas.

Incluso se puede utilizar para determinar las condiciones termodinmicas de una corriente.

Cuando se las condiciones de salida, este modelo determina las condiciones trmicas y de fases de la mezcla de una o varias corrientes de entrada.

Los parmetros que deben especificarse son:

o Temperatura de la corriente de salida. o Presin de operacin.

Se selecciona la ficha Heat Exchangers y el modelo Heater.

Figura 13: Localizacin de intercambiador de calor en la interfaz de Aspen.

o Bombas. El modelo Pump puede ser utilizado para representar a una bomba o a una turbina hidrulica.

El modelo Pump esta diseado para manejar una sola fase liquida. Para casos especiales se pueden especificar clculos de dos o tres fases, para determinar las condiciones de la corriente de salida o para calcular su densidad.

Los parmetros necesarios para su configuracin son: o Tipo: bomba o turbina. o Incremento de presin o presin de salida.


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Se selecciona la ficha Presure Changers y el modelo Pump.

Figura 14: Localizacin de bombas y vlvulas en la interfaz de Aspen.

o Vlvulas. El modelo valve se utiliza para representar vlvulas de control o alteradores de presin. el modelo valve relaciona la cada de presin a lo largo de la vlvula con el coeficiente de flujo.

El modelo valve asume un flujo adiabtico y determina las condiciones trmicas y de fase de la corriente de salida de la vlvula. Este modelo es capaz de realizar clculos de una, dos y hasta tres fases.

El nico parmetro necesario es la cada de presin necesaria.

Se selecciona la ficha Presure Changers y el modelo Valve. Ver figura 14.

o Interconexin. Para completar el diagrama, de flujo, pueden establecerse conexiones a nivel de flujo de material, flujo de calor o flujo de trabajo. En esta simulacin solo necesitamos la conexin a nivel de flujo de material, pues no se realizan clculos de equilibrio de energa o trabajo. Se selecciona el elemento Material Streams, el cursor del ratn cambia a una cruz y al mover el cursor al rea del equipo insertado, aparecen flechas donde la conexin puede ser colocada.

Figura 15: Opciones de colocacin de flujos en la interfaz de Aspen.


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As se insertan todos los equipos y se interconectan hasta que se obtenga el diagrama de flujo que se observa en la figura 16.

Figura 16: Secuencia en estado estable obtenida.

2.3.2.2 Seleccin de componentes. La secuencia se encuentra construida, ahora es necesario indicar a Aspen que componentes intervienen en el proceso, para lo cual se puede acceder al data browser en ComponentsSpecification u oprimir el botn de componentes, , entonces aparecer una ventana como la que se muestra en la figura 17.

Figura 17: Especificacin de componentes en la interfaz de Aspen.


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Con solo escribir el nombre en la casilla, el software puede completar todo el registro si lo reconoce, si no, podemos oprimir el botn Find que mostrara las opciones existentes.

Debemos agregar los componentes:

o Benceno. o Etanol. o Agua.

Para ms informacin ver [27], Cp. 6, Specifying Components.

2.3.2.3 Seleccin de modelo de equilibrio de fases. Luyben en [1], realiza sus simulaciones con el modelo de equilibrio UNIQUAC, pero con el fin de comprobar la eficacia de este modelo en la deshidratacin de etanol, se realiza una investigacin bibliografca de los modelos utilizados en otras investigaciones y se prueban estos modelos con datos experimentales.

En [18] se recomienda el uso del modelo UNIQUAC para un proceso de destilacin de etanol usando benceno como separador. En [13] utilizan el modelo de equilibrio NRTL, el cual consideran correcto segn los datos experimentales de [28], para un sistema equivalente. En [29] se reporta que el modelo equilibrio NRTL es adecuado de acuerdo con sus datos experimentales para modelar el comportamiento de la mezcla etanol-agua. En [30] se reporta que el modelo UNIQUAC reproduce adecuadamente el comportamiento de la mezcla etanol-agua-benceno.

Adems el manual de Aspen Plus [27] en su seccin 7-7, recomienda el uso de los modelos UNIQUAC, NRTL o WILSON para separaciones azeotrpicas y separaciones de alcoholes.

2.3.2.3.1 Datos experimentales. En general en la literatura se utilizan 3 diferentes modelos de equilibro: UNIQUAC, NRTL y WILSON. Sin embargo, el modelo de equilibrio Wilson solo puede ser utilizado para anlisis binarios y se requiere de un anlisis ternario, por lo tanto, este modelo de equilibrio ser excluido del anlisis. Se utilizan los datos experimentales de [30] para realizar simulaciones con estos dos modelos.

Los datos experimentales de [30], son una serie de puntos determinados por las concentraciones de los tres componentes, que determinan la lnea de inmiscibilidad que presenta esta mezcla. Estos datos son tomados de una mezcla ternaria formada por etanol-agua-benceno, en equilibrio liquido-liquido a 55C, a presin atmosfrica. Estos datos se presentan en la tabla 1.


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Tabla 1: Datos experimentales del equilibrio Liquido-Liquido de la mezcla etanol-agua-benceno a 55C a 1 Atm. de [30].

Fase Xww Xew Xwb 0.952 0.046 0.002 0.949 0.049 0.002

0.87 0.125 0.005 0.789 0.197 0.014 0.774 0.209 0.017 0.761 0.223 0.016

0.72 0.256 0.024

Acuosa

0.673 0.293 0.034 0.014 0.026 0.96 0.014 0.029 0.957 0.031 0.094 0.875 0.064 0.181 0.755

Orgnica

0.07 0.183 0.747

2.3.2.3.2 Anlisis y seleccin. Se calcula el ndice de error RMSE1, de los puntos experimentales contra los puntos obtenidos por los diferentes modelos de equilibrio.

Se calcula el ndice de error RMSE para cada serie de concentraciones correspondiente a cada una de las sustancias (etanol, agua o benceno) y posteriormente se suman cada uno de estos ndices para obtener un ndice RMSE acumulado para cada modelo.

El comportamiento del modelo NRTL contra los datos experimentales se muestran en la figura 18, donde la lnea curva marca la divisin de inmiscibilidad determinada por el modelo de equilibrio NRTL y los puntos representan los datos experimentales.

El ndice de error RMSE acumulado para el modelo de equilibrio NRTL es de 0.254.

El comportamiento del modelo UNIQUAC contra los datos experimentales se muestran en la figura 19.

El ndice de error RMSE acumulado para el modelo de equilibrio UNIQUAC es de 0.136.

1 Root Media Square Error: error cuadrtico medio.


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Figura 18: Modelo NRTL y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55C a 1 Atm.


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Figura 19: Modelo UNIQUAC y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55C a 1 Atm.

Podemos observar que el modelo que ms se aproxima a los datos experimentales es UNIQUAC y por lo tanto este es el que debe ser utilizado, esto confirma lo expuesto en [1], [18] y [30]. Sin embargo la diferencia con el modelo NRTL es muy pequea, por lo que ambos modelos propuestos pueden ser adecuados para nuestra simulacin.

2.3.2.4 Configuracin del equipo.

2.3.2.4.1 Columnas de destilacin. Columna de destilacin C1: Su objetivo es deshidratar el etanol mas all de su punto azeotrpico, es decir, eliminar la mayor cantidad de agua que sea posible, esto se logra usando al benceno como agente separador.


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Esta columna no cuenta con un condensador, este elemento se instala por separado, cuenta con 31 etapas (incluyendo el rehervidor), y es alimentada por 3 corrientes:

o Alimentacin: es la corriente de alimentacin de todo el sistema, conectada la etapa 15, compuesta de una mezcla etanol-agua al 84% mol de etanol.

o Reflujo: se alimenta en la etapa 12, por tener una alta concentracin de benceno.

o Reciclado: se alimenta en la etapa 10, esta corriente se obtiene del destilado de la columna C2.

Trabaja a una presin de 2 atm en su etapa mas alta, con una cada de presin de 0.0068 atm oor etapa.

Columna de destilacin C2: Su objetivo es reconcentrar el etanol de la mezcla etanol-agua-benceno resultante de la separacin azeotrpica en la columna C1, extrayendo agua por destilacin simple y reciclando la mayor cantidad de etanol posible hacia la columna C1.

Consta de 22 etapas (incluido rehervidor y condensador), tiene una razn de relujo del 0.2, es alimentada por la corriente acuosa producto del decantador, que supone una alta concentracin de etanol, trabaja a una presin de 1.1 atm en su etapa mas alta con una cada de presin de 0.0068 atm por etapa.

2.3.2.4.2 Intercambiador de calor y decantador. El intercambiador de calor esta conectado a un decantador que sirve para separar el benceno del vapor de salida de la columna 1, y reciclarlo como reflujo a la columna 1, evitando as desperdiciar benceno que es un compuesto toxico.

Su objetivo de reducir la temperatura del vapor proveniente de C1, para que pueda ocurrir una separacin en dos fases en el decantador.

La temperatura de salida deseada es de 313K, teniendo una cada de presin de 0.1 atm.

En resumen, se pueden observar los parmetros de configuracin del equipo en la tabla 2.

2 Aspen Plus enumera las etapas de arriba hacia abajo.


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Tabla 2: Parmetros del equipo para la simulacin en estado estable. Equipo Parmetro Valor Cometarios

Etapas 31 Esta columna no cuenta con condensador

Razn de flujo en el fondo

0.0504 Kmol/s

Flujos de alimentacin

REFLUX2etapa=1. RECYCLE2etapa=10. FEED2etapa=15.

Presin de la primera etapa

2 Atm. Generalmente la presin que se configura en Aspen es la del condensador.

Columna C1

Cada de presin por etapa

0.0068 Atm.

Etapas 22 Incluye rehervidor y condensador.

Condensador Total Razn de reflujo 0.2 molar Razn de flujo en el fondo

0.0095 kmol/s

Flujo de alimentacin

F2etapa=11.

Presin del condensador

1.1 Atm.

Cada de presin por etapa

0.0068 Atm.

Columna C2

Temperatura de subenfriamiento

316.8981K

Temperatura de salida

313K A esta temperatura se presenta la separacin de fases.

Intercambiador de calor HX

Cada de presin 0.1 Atm.

Presin 1 Atm. Decantador Capacidad calorfica

0 watts.

Bombas Incremento de presin

P11 y P22 = 1 Atm. P21 = 0.1 Atm. PD1 = 0.26799999 Atm. PD2 = 1.1 Atm.

Adiabticas Todas Vlvulas Cada de presin V12 = 0.9 Atm.

El resto = 0.1 Atm.

Mezcladora M1 Presin 2.1 Atm.


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2.3.3 Definicin de las condiciones iniciales. Para obtener una convergencia con una concentracin alta de etanol en un menor tiempo, es necesario conocer las caractersticas de las corrientes que alimentan al sistema, principalmente dos corrientes que alimentan a la columna C1. Estas son lazos del proceso que deben cerrarse, sin embargo, esto no se logra en la simulacin en estado estable, esto se debe a la alta sensibilidad del sistema, pues las corrientes que cerraran estos lazos deben de ser exactamente iguales, de lo contrario la simulacin no seria satisfactoria.

Las suposiciones que se hacen son las siguientes: la corriente de destilado en la parte superior debe estar muy cerca del punto azeotrpico ternario (ver capitulo 1). Dado que existir un reciclado y un reflujo, podemos suponer que la composicin de estas corrientes estar muy cercana a las concentraciones de las salidas acuosa y orgnica del decantador. Para calcular los valores aproximados de estas concentraciones se realiza una simulacin por separado del intercambiador de calor y el decantador.

Se alimenta con una mezcla ternaria en su punto azeotrpico determinado por el modelo UNIQUAC, tabla 3, a una temperatura de 358K.

Tabla 3: Concentraciones de alimentacion. Compuesto Concentracin (%mol)

Benceno 53.06 Etanol 27.49 Agua 19.45

Figura 20: Diagrama de flujo para obtener las condiciones iniciales.

Despus de realizar la ejecucin de la simulacin se obtienen las concentraciones iniciales, tabla 4.

Tabla 4: Concentraciones iniciales obtenidas. Compuesto Fase acuosa Fase Orgnica

Benceno 7.11 %mol 83.46 %mol Etanol 46.57 %mol 14.85 %mol Agua 46.3 %mol 1.675 %mol

Se suponen estos valores para la inicializacin.


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La secuencia completa (figura 21) tiene como valores iniciales los que se muestran en la tabla 5.

Tabla 5: Valores iniciales de la alimentacin de la secuencia. Corrientes de entrada

Concentracin Feed Recycle Reflux BenFeed Benceno 0 %mol 7.11 %mol 83.46 %mol 100 %mol Etanol 84 %mol 46.57 %mol 14.85 %mol 0 %mol Agua 16 %mol 46.3 %mol 1.675 %mol 0 %mol Flujo 0.06 kmol/s 0.06 kmol/s 0.12 kmol/s 0.00025 kmol/s

Temp. 350K 317.08K 317.08K 350K Presin 2.195 Atm. 2.1 Atm. 2.1 Atm. 2.1 Atm.

Con esto valores iniciales se ejecuta la simulacin del proceso en estado estable, obteniendo los resultados mostrados en la tabla 6 para todas las corrientes de salida en el diagrama de flujo.

Tabla 6: Valores obtenidos de la primera simulacin en estado estable. Corrientes de salida

Concentracin ETH2 D2CALC ORGREF WATER2 Benceno 19.43 %mol 8.64 %mol 83.33 %mol 0 %mol Etanol 80.56 %mol 53.54 %mol 14.97 %mol

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