MEMORIA FINAL Compromisos y Resultados … · 6 Unidad de Innovación Docente Edifício Centro...

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Unidad de Innovación Docente Edifício Centro Tecnológico Cádiz C/ Benito Pérez Galdós, s/n, 11002 Cádiz 5728 / 1979 / 1989 [email protected] http://www.uca.es/udinnovacion/

MEMORIA FINAL

Compromisos y Resultados Actuaciones Avaladas para la Mejora Docente, Formación

del Profesorado y Difusión de Resultados, 2013/2014 Modalidad A

Código: AAA_14_030

Título del proyecto

UTILIZACIÓN COORDINADA DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE PROCESOS ASPEN PLUS EN ASIGNATURAS SELECCIONADAS DE TODOS LOS CURSOS DEL GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA

Responsable

Apellidos Nombre NIF

Portela Miguélez Juan Ramón 31259146-F

1. Describa la contribución al proyecto de cada uno de los participantes1

Portela Miguélez, Juan Ramón Descripción de la contribución del participante: Coordinación de las actividades del Proyecto. Organización del curso externo de formación de profesores “curso avanzado de aspen Plus 8.2” Participación en la impartición de clases prácticas para la resolución de balances de materia y balances de energía en la asignatura BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA (2º GIQ). Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado. Asistencia a todos los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento. Tramitación de la renovación de la licencia con la empresa Aspen Tech Coordinación con el CITI de la instalación y prueba del software en el aula de proyectos y en las aulas de informática de la Facultad de Ciencias y del aulario Elaboración de una guía de instalación del Aspen Plus 8.2 para los participantes del curso Elaboración de la memoria final

Pereyra López, Clara Descripción de la contribución del participante:

- Participación en la elaboración de una guía para la selección de métodos termodinámicos en Aspen Plus según el tipo de compuestos que intervengan en un proceso y las condiciones de operación. Contribuciones específicas para la asignatura Termodinámica aplicada a la

1 Copie y pegue las tablas que necesite para contemplarlos a todos.

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ingeniería química (2º Grado en IQ). Asistencia a todos los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento.

Martínez de la Ossa, Enrique Descripción de la contribución del participante:

- Colaboración en el proceso de renovación de la licencia y participación en la organización del curso de formación de Aspen Plus para el profesorado

Sánchez Oneto, Jezabel Descripción de la contribución del participante:

- Participación en la elaboración de la guía de instalación Aspen Plus 8.2. Diseño de actividades prácticas en aula de informática utilizando el software Aspen plus para la asignatura Diseño de reactores (3º GIQ). Asistencia a todos los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento.

Alvarez Gallego, Carlos José Descripción de la contribución del participante:

- Diseño e impartición de actividades prácticas en aula de informática utilizando el software Aspen plus para la asignatura Diseño de operaciones de separación (3º GIQ). Impartició de clases prácticas en curso interno dirigido a profesores del departamento. Asistencia a todos los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento.

Muñoz Cueto, Maria José Descripción de la contribución del participante:

- Participación en el diseño de casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura Flujo de Fluidos (2º Grado en IQ).

Martín Minchero, Ricardo Descripción de la contribución del participante:

- Participación en el diseño de casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura Flujo Transmisión de Calor. Difusión de la convocatoria y asistencia a la Jornada Online Herramientas Innovadoras y Gratuitas para el Cálculo y la Simulación de Procesos, organizado por la Universidad Politécnica de Valencia.

- Búsqueda de material bibliográfico para el manejo del simulador y distribución entre los participantes

- Asistencia a cursos de formación interna realizados en el departamento. Blandino Garrido, Ana Descripción de la contribución del participante: Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado y al curso de formación externo.

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Díaz Sánchez, Ana Belén Descripción de la contribución del participante: Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado y al curso de formación externo.

Mantell Serrano, Casimiro Descripción de la contribución del participante:

- Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de procesos con Aspen Plus en la asignatura Principios de ingeniería química (1º Grado en IQ). Participación en las actividades de formación de profesorado.

Caro Pina, Ildefonso Descripción de la contribución del participante: Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de procesos con Aspen Plus en la asignatura DISEÑO DE REACTORES (3º GIQ). Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado y al curso de formación externo. Romero García, Luis Isidoro Descripción de la contribución del participante: Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de procesos con Aspen Plus en la asignatura DISEÑO DE REACTORES (3º GIQ) Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado y al curso de formación externo. Casas Cardoso, Lourdes Descripción de la contribución del participante: Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas asignaturas del Grado y al curso de formación externo.

Ramírez Muñoz, Martín Evaluación de la posibilidad de realizar casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura “Diseño de Biorreactores” (4º GIQ) Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación)

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Cabrera Revuelta, Gema Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación)

Cantero Moreno, Domingo Evaluación de la posibilidad de realizar casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura “Diseño de Biorreactores” (4º GIQ) Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación) 2. Describa los resultados obtenidos a la luz de los objetivos y compromisos que adquirió en la

solicitud de su proyecto2. Copie en las dos primeras filas de cada tabla el título del objetivo y la descripción que incluyó en el apartado 2 de dicha solicitud. Incluya tantas tablas como objetivos contempló y tenga en cuenta que la extensión de este apartado no debe superar 2 páginas.

Objetivo nº 1 Mantener las actividades prácticas ya realizadas en varias asignaturas del

Grado. Descripción: Se pretende afianzar las actividades prácticas que ya se han llevado a cabo en

el curso 12/13, ampliarlas y mejorarlas a partir de la experiencia llevada a cabo. Las actividades hasta ahora implantadas han sido:

- Introducción de la utilización del software. Entorno de funcionamiento y estructura. Creación de diagramas de bloques en Ingeniería Química.

- Resolución de balances de materia y energía. Calculo de entalpías de reacción, reacciones múltiples, cálculos entálpicos, resolución del balance con purga, separadores y recirculación.

- Diseño de una columna de destilación: sistemas binarios y multicomponentes, cálculo del número de platos y contacto diferencial.

- Diseño de reactores reactores tubulares y de tanque agitado. Dimensionamiento del reactor.

Estas actividades se pueden mejorar para el próximo curso, añadiendo la construcción de gráficos, la personalización de tablas de resultados, etc.

Actividades realizadas y resultados obtenidos:

Se han mantenido y consolidado todas las mencionadas actividades implantadas en el curso anterior. Como mejora y profundización en el uso de las opciones que ofrece el software, se han incorporado actividades de construcción y obtención de gráficos y tablas de resultados. En el anexo I se muestran algunas de las actividades realizadas.

Objetivo nº 2 Extender el uso del software Aspen Plus a nuevas asignaturas. Descripción: - Base de datos termodinámicos. Creación de compuestos y estimación

de propiedades termodinámicas.

2 La que remitió la Unidad de Innovación Docente en el mes de junio de 2013.

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- Diseño de un intercambiado de calor. métodos sencillos y rigurosos. Cálculo de coeficientes de transmisión de calor. Diseño de un cambiador de calor de doble tubo.

- Diseño procesos biotecnológicos. - Ajuste de Resultados de simulación a Datos experimentales.

Regresiones. Optimización económica/energética.

Actividades realizadas y resultados obtenidos:

- Este proyecto está directamente relacionado con la actuación avalada “AAB_14_003“ de formación en Aspen Plus, en la que se ha organizado un curso avanzado de aspen plus 8.2 para complementar la formación del profesorado de este Departamento, contribuyendo así a fomentar el uso de opciones avanzadas del software y diseñar mejoras en los casos prácticos implantados en las asignaturas del grado en IQ, principalmente en los siguientes aspectos:

- Elaboración de una guía para la selección de métodos termodinámicos en Aspen Plus según el tipo de compuestos que intervengan en un proceso y las condiciones de operación. Esta actividad supone una aportación de una nueva asignatura del Grado, concretamente Termodinámica aplicada a la ingeniería química (2º Grado en IQ).

-Se ha recibido formación (en el curso externo) para el cálculo de pérdidas de carga en conducciones, diseño de un intercambiado de calor y optimización económica. Los casos prácticos pueden aplicarse a las asignaturas de Flujo de fluidos (2º Grado en IQ), transmisión de calor (2º Grado en IQ) y simulación y optimización de procesos químicos (4º GIQ). En el anexo I se muestran los principales casos prácticos desarrollados.

Objetivo nº 3 Facilitar el acceso al uso del software ASPEN PLUS. Descripción: La Universidad de Cádiz dispone de la licencia del Software ASPEN Plus y se

encuentra instalado actualmente en el aula de proyectos de la Facultad de Ciencias y en los carros de portátiles para docencia. Se pretende conseguir que todos los profesores del proyecto puedan tener instalado el software en su ordenador. Además, se pretende que los alumnos también puedan usar el software en salas de libre acceso, con el fin de que puedan practicar por su cuenta y realizar las actividades que se les encomiende desde las distintas asignaturas relacionadas con este proyecto.

- Actividades realizadas y resultados obtenidos:

La Universidad de Cádiz disponía de la licencia del Software ASPEN Plus solamente hasta septiembre de 2013 y era necesario proceder a su renovación para poder usar el software en el curso 13/14. En los últimos años la licencia se había pagado entre varias entidades participantes: El Vicerrectorado de docencia y formación, el Decanato de la Facultad de Ciencias, el Dpto de ingeniería Química y la Escuela politécnica superior de Algeciras. Desde el año pasado, el Vicerrectorado comunicó que no pondría dinero para licencias, y el Decanato nos solicitó que buscásemos fuentes de financiación alternativas. Este proyecto ha permitido la renovación de la licencia del

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software aspen Plus e instalación del programa en el aula de proyectos y en las aulas de informática de la facultad de ciencias y del aulario del campus de Puerto Real para 150 usuarios. Se ha elaborado de una guía de instalación del Aspen Plus 8.2 para los participantes del proyecto, de modo que todos los profesores puedan tener instalado el programa en su ordenador personal. Dicha guía aparece recogida en el anexo I, y se suministrará a los alumnos de tercer curso del Grado en IQ, pues en ese curso está concentrada la mayor carga de uso de aspen Plus. Solicitud al CITI de instalación del software en ordenadores de préstamo y en ordenadores de uso público de la biblioteca del campus. Además, con la ayuda de alumnos colaboradores del departamento se pondrá a disposición de los alumnos el aula de proyectos en horas de tutoría, de forma que pueda utilizarse el software.

3. Indique las medidas que ha adoptado para difundir los resultados del proyecto en su entorno

académico. Todas las actividades de esta actuación avalada han estado disponibles a todo el PDI del departamento, habiéndose incorporado a los cursos realizados, tanto doctorandos de este departamento como de otros departamentos del Campus de Puerto Real.

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ANEXO I

- Guía de instalación de Aspen Plus 8.2

- Actividades prácticas de Aspen Plus en Asignaturas del Grado en IQ.

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Guía de Instalación Para el Aspen V.8.0/8.2 se deben instalar productos adicionales. Sólo es compatible con winxp y windows7. Aquí explicamos cómo se instala en Windows 7. Según el Windows que tenga cada equipo y cómo esté de actualizado, la instalación pedirá determinados requisitos (ej. Internet Explorer 9 como mínimo). Los prerrequisitos para una correcta instalación son 5: 1.-Microsoft .Net Framework 3.5 2.-Microsoft .Net Framework 4 3.-SQL Server Express 2008 R2 SP1 4.-IIS (internet information services) 5.-Microsoft Message Queue (MSMQ) Server

Los tres primeros productos, están disponibles en un servidor del Citi. Se accede desde el símbolo de inicio de Windows (icono de Windows en la esquina inferior izquierda) y tecleando lo siguiente en la ventana de busqueda:

\\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\aspenONEV8.0DVD1\3rd Party Redistributables Entrar en cada una de las carpetas citadas y ejecutar la aplicación (si alguno de los programas ya los teneis instalados, al ejecutar la aplicación os saldrá una ventana diciendo que ya está instalado) En Microsoft .Net Framework 4, ejecutar la aplicación “doNetFx40_full*86*64” En SQL Server Express 2008, seleccionar “New installation or add features to an existing installation” y pulsar next (buscará todo lo que aquello que le falte) y para los dos últimos hay que entrar en: Panel de control\Programas\Programas y características\Activar o desactivar las características de windows Hay que señalar dos productos abriendo todos los subproductos para señalarlos con seguridad. Estos productos son:

‐ IIS (Internet Information Services) ‐ Microsoft Message Queue (MSMQ) Server

Aceptar todo hasta que se instalen A continuación instalamos el software de Aspen Plus Se accede de nuevo desde el símbolo de inicio de Windows, tecleando lo siguiente en la ventana de busqueda: El software está en \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8

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Hay 4 DVDs, de los que sólo usamos los dos primeros

‐ aspenONEV8.0DVD1 (a este entra por defecto) ‐ SupplementalDVD-AspenEngineering (es una actualización)

1- Dentro del primer DVD ejecutamos la aplicación Setup1

\\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\aspenONEV8.0DVD1\setup1 Aparecen pantallas y hay que ir señalando y aceptando: setup1 + permitir+ (preparing install….) + 32 bits (elegimos 32 bits aunque nuestro ordenador sea de 64 bits) + Instal aspen One Product + I accept the terms of this…..+ next + custom install

Seleccionar las casillas “Process Modeling (Aspen Plus)”, “Process Modeling (Aspen HYSYS), “Aspen Energy Analyzer”, “Aspen Exchanger Design & Rating”, “Economic Evaluation” y hacer clic en el botón “Next”.

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En el campo “License server:” se ha de escribir: Licaspen.uca.es, hacer clic en el botón “Add Server” (con lo que el nombre de ese servidor pasará a ubicarse en el recuadro inferior) y hacer clic en Next.

Hacer clic en el botón “Install Now”:

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Hacer clic en el botón “Finish” . Ojo, el proceso ahora puede tardar un buen rato hasta que aparezca la siguiente pantalla.

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2‐ Ejecutamos el segundo DVD que es una actualización \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐AspenEngineering\setup Señalar los mismos productos de antes que tengan actualización. El proceso es parecido \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐AspenEngineering\Engineering\Full Product Installs\setup1 \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐AspenEngineering\Engineering\Patches\aspenONE Patch Update.exe Son tres ejecutables.

Grado Ingeniería Química

Balances de Materia y

Energía:

Resolución con ASPEN PLUS

Introducción al uso de ASPEN PLUS Parte 1: Construcción del diagrama de flujo En el menú inicio todos los programas, buscamos el programa Aspen Tech, pinchamos en Process Modelling V7.2 y elegimos Process Engineering console. (en el Aula de Proyectos suele estar el acceso directo en el escritorio) Seleccionamos Create new Project para comenzar un proyecto nuevo;

- Introducir un nombre para el proyecto (por ejemplo Balance Materia 1. Creará una carpeta).

- Pulsar “Browse” para indicarle que guarde los archivos en vuestro pen‐drive (si no indicamos nada, los archivos se guardarán por defecto en una carpeta del disco duro).

- En la Casilla “Initial case name” incluir vuestros apellidos.

(Usareis “Open a Existing simulation” para continuar con un proyecto anteriormente creado).

Existen diferentes módulos de estimaciones y análisis que también ofrece el software: Properties estimation, energy analysis, economic analysis, etc Seleccionamos PROCESS SIMULATION. Aparecerá un menú con “Select simulator”, donde seleccionalmos Aspen Plus y pinchamos en Start.

Figura 1. Pantalla con los diferentes módulos que ofrece el software

Aparecerá la pantalla inicial del programa (figura 1), con estructura típica de Windows, incluyendo menús desplegables, barra de iconos, barras de herramientas, etc. A continuación se detalla cada una de las partes principales:

Figura 2. Pantalla inicial de una simulación en blanco. Se remarcan los principales elementos que la conforman

Menú desplegable

Iconos acceso directo

Zona para construir el diagrama de flujo

Barra de herramientas

Seleccionar puntero

Añadir corrientes

Añadir bloques/equipos

Menu desplegable:

- Barra de menus desplegables (File, Edit, View, Data, Tools, Run, Flowsheet, etc) Barra de iconos:

o Iconos tipicos Windows (abrir, guardar, imprimir….) o Iconos específicos de Aspen plus (configurar, reactivos, corrientes, bloques…), A

continuación se muestran los iconos más usados:

Set up: permite especificar cualquier elemento del proceso a simular

Components: permite añadir todos los compuestos químicos que intervienen en el proceso

Physical propierties: permite seleccionar los modelos a usar en las estimaciones de propiedades

Streams: da acceso a especificar las características y condiciones de las corrientes del proceso

Blocks: da acceso a especificar las características y condiciones de los equipos del proceso

Browser: da acceso a los datos de todo el proceso

Next: avanza a la siguiente etapa del proceso de simulación (si le damos y faltan datos necesarios por completar nos lo informa). Es muy útil pues el programa nos va llevando ordenadamente por las pantallas que es necesario ir completando. Menú selección Corrientes (streams) En la parte inferior izquierda de la pantalla se encuentra el menú dedicado a las corrientes de proceso (streams) y permite adicionar al diagrama de flujo tres tipos distintos de corrientes en función del problema a resolver: corrientes de materia (Material) , de calor (heat) o de trabajo (work). Para los balances de materia seleccionamos “Material”. En los balances de energía, si hay aportes/retiradas de calor externo (calor que no está asociado a las corrientes) habrá que añadir además alguna “heat stream”

Figura 3. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Streams”

Puntero:

La flecha puntero aparece abajo a la izquierda, justo encima del menú streams. Debe pulsarse después de añadir un bloque o corriente para dar por finalizado el proceso de adición de componentes y así permite seguir trabajando con los menús, seleccionar objetos, cambiarles el tamaño, etc.

Menú selección equipos (Blocks): En la parte inferior de la pantalla se encuentra el menú dedicado a los equipos de proceso (Blocks) y permite adicionar al diagrama de flujo las unidades de proceso que correspondan. Los equipos se encuentran ordenados en grupos en función de la operación que llevan a cabo (separación, reacción, intercambio de calor, etc), y dentro de cada uno de ellos debemos elegir el tipo de unidad que lleva a cabo la transformación exacta que queremos simular. En la figura 4 se muestra un detalle de los tipos de reactores que podríamos seleccionar.

Figura 4. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Blocks”, dentro de la pestaña de reactores y más concretamente dentro de Reactores Estequiométricos (RStoic).

A continuación se muestran los grupos más usados: Importante: para saber sobre las características de cada uno de ellos, debemos pinchar sobre ellos y pulsar F1, y un menú de ayuda sobre dicho equipo se abrirá automáticamente. Mixer y Spliters: Deben incorporarse al diagrama de flujo siempre que dos corrientes se quieran mezclar o dividir, respectivamente. Separators: incluye separadores de una sola etapa (flash), decantadores, etc Heat exchangers: están divididos en diferentes categorías como calentadores, evaporadores, intercambiadores de carcasa, de doble tubo, etc Columns: incluye extractores, gran variedad de columnas de destilación y rectificación, etc Reactors: permite elegir entre reactores estequiométricos, de tanque agitado, tubulares, etc. Pressure changers: incluye bombas, compresores, válvulas, tuberías, etc

Construcción del diagrama de flujo Selección de bloques/equipos Comenzamos añadiendo todos los bloques o equipos de los que consta el proceso. Para ello debemos seleccionar las unidades adecuadas en el menú de bloques de la parte inferior de la pantalla (el que se muestra en la figura 4). Con el puntero desplegamos el menú que corresponda y pinchamos sobre una unidad, y al mover el

puntero hacia la zona central, el puntero se convierte en una cruz (+) y cada vez que hagamos click en el ratón insertará una unidad en la zona donde hayamos colocado el puntero. En el ejemplo del balance de materia a resolver se incluyen 4 bloques: mezclador, reactor, separador y sistema de purgado. Primero los insertamos todos y luego les cambiaremos el tamaño, la orientación, los alineamos, etc. Mezclador: desplegamos en menú de “Mixers/Spliters” pinchando sobre él, y luego seleccionamos el Mixer (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa). Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón. Reactor: desplegamos en menú de “Reactors” pinchando sobre él, y luego seleccionamos el RStoic (esta unidad solo tiene en cuenta la estequiometria de la reacción y la conversión que el usuario indique). Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón. Separador: desplegamos en menú de “Separators” pinchando sobre él, y luego seleccionamos el Sep2 (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa). Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón. Sistema de purga: desplegamos en menú de “Mixers/Spliters” pinchando sobre él, y luego seleccionamos el FsSplit (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa). Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón. Cambio de tamaño, aspecto, alineación Para dejar de añadir equipos y pasar a modificarlos, seleccionamos el “puntero” para que

desaparezca la cruz (+) del puntero y aparezca la flecha. Pinchando sobre un equipo es posible arrastrarlo para moverlo, ampliarlo, etc. Pulsando botón derecho del ratón (o a través de las barras de herramientas) es posible centrarlo en la pantalla, ponerle nombre, etc. El sistema de purga tenemos que girarlo 180 º para que esté orientado correctamente respecto a las corrientes que entran y salen (entra una corriente por la derecha y se divide en una de purgado y otra que se recircula al mezclador por la izquierda) Algunas funciones rápidas de interés:

- Centrar vista CRTL + Tecla Fin - Copiar CRTL + C - Pegar CRTL + V - Agrandar diagrama flujo CRTL + Flecha ↑ - Reducir diagrama flujo CRTL + Flecha ↓ - Cambiar de icono para esa unidad CRTL + K

Selección de las corrientes Pinchamos Material Stream en el menú dedicado a las corrientes de proceso (parte inferior izquierda de la pantalla).

Al dirigir el puntero hacia la zona central tomará aspecto de cruz (+) y en todos los equipos se mostraran flechas de entrada y salida donde se podría conectar la corriente (figura5):

Figura 5. Aspecto que muestran los equipos cuando se van a añadir líneas de corriente (streams). Flechas rojas: corrientes de entrada y salida que es necesario añadir a cada equipo. Flechas azules: corrientes opcionales (para contemplar decantación de agua en sistemas libres de agua, etc) Para situar una corriente y enlazarla a un equipo o entre dos equipos, tenemos que hacer click en el punto de origen y luego desplazar el puntero hasta el punto de destino y volver a hacer click. Nota: el punto de origen o destino puede no ser un equipo (como en el caso de la alimentación, que no proviene de ningún equipo previo. También es el caso de una purga o de el efluente final, que no van a ningún equipo) por lo que haremos click en cualquier punto cercano al equipo. La corriente presentará una flecha hueca de color blanco si no está conectada a ningún equipo, y una flecha sólida de color negro cuando esté enlazada a algún equipo, tal y como se muestra a continuación:

. En el caso de equivocarnos o querer modificar el origen o destino de una corriente, puede hacerse de la siguiente forma:

ALIMENT

MEZCLADO

Re-conectar punto de partida seleccionar la corriente a modificar, pulsar botón derecho del ratón y seleccionar “Reconnect source”. Hacer click en la zona correcta. Re-conectar punto de destino seleccionar la corriente a modificar, pulsar botón derecho del ratón y seleccionar “Reconnect destination”. Hacer click en la zona correcta. Una función rápida útil para ordenar el diagrama de flujo:

- Alinear bloques seleccionar una corriente y pulsar CRTL + B Etiquetar corrientes y equipos

Una vez insertados todos los equipos y las corrientes, podemos cambiar la nomenclatura que el programa les asigna por defecto (B1, B2,…., 1,2,3,,,) y ponerle un nombre más intuitivo a cada uno de ellos (reactor, separador,….., Alimentación, purga). Esto resulta muy útil para entender el diagrama de flujo del proceso y para facilitar la interpretación de los “reports” de resultados. Seleccionar una corriente o equipo, pulsar botón derecho del ratón y seleccionar “rename stream” o “rename block”. (también puede usarse CRTL + M). Introducir el nombre deseado (máximo 8 caracteres). En la figura 6 se muestra el aspecto final del diagrama del proceso.

Figura 6. Aspecto final del diagrama de flujo del proceso

Una vez terminado el diagrama de flujo, pulsamos el botón Next y, si todo está completo y correcto, nos indicará los siguiente: “Flow conectivity is complete. Provide the remaining problem specifications on input forms” “Display next input forms? Pulsar cancelar.

Antes de comenzar la introducción de datos y especificaciones, es conveniente activar la visualización de la barra de herramientas de dibujo. Para ello seleccionamos en “View”>”Toolbar” y marcamos “Draw”.

Una vez construido el diagrama de bloques se procede del siguiente modo, habría que, utilizando la herramientas de dibujo, etiquetar las corrientes con la información suministrada. Es incluso interesante incluir en el diagrama el enunciado del problema.

El enunciado del problema es: BALANCES PARA PROCESOS REACTIVOS CON UNA SOLA REACCIÓN QUÍMICA, CON RECIRCULACIÓN Y PURGADO

El metanol puede producirse mediante la reacción CO2 + 3 H2 ⎯→ CH3OH + H2O que se desarrolla a 200ºC y 70 atm de presión. La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiométricas y 0,5% en mol de componentes inertes (I). El flujo de salida del reactor pasa a un condensador, que extrae cuantitativamente todo el metanol y el agua formados, pero no así los reactivos ni los componentes inertes. Estas últimas sustancias se hacen recircular al reactor. Para evitar la acumulación de inertes en el sistema se extrae el 16,4% del producto recirculado en un flujo de purgado. La conversión en el reactor en una sola etapa es del 60%. Calcular las velocidades de flujo molar de la alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado, para una velocidad de producción de metanol de 1000 kmol/s.

Alimentación combinada

Grado Ingeniería Química

Balances de Materia y

Energía:

Resolución con ASPEN PLUS

Introducción al uso de ASPEN PLUS Parte 2: Introducción de datos y simulación del proceso Una vez construido el diagrama de bloques, con toda la información añadida, partiremos de una pantalla similar a la siguiente:

Seguidamente se pulsa en el botón “SETUP” para definir el título del trabajo y sistema de unidades. Introducimos un título para el proceso (por ejemplo: Balance Materia 1). Por defecto podemos elegir entre tres sistemas de unidades:

- SI (International system units): m, kg, s, K, mol, etc - ENG (English engineering units): ft, lbm, s, F, etc - MET (Metric engineering units): m, kg, s, ºC, etc

No obstante, es posible elegir las unidades concretas que aparecen en el enunciado del problema, tomando como base de partida uno de los tres sistemas de unidades anteriores, pero adaptándolo con las pequeñas variaciones que requiera nuestro problema concreto, por ejemplo usando el SI pero fijando, por ejemplo, la temperatura en ºC y la presión en atmósferas. Para personalizar nuestro sistema de unidades, pinchamos sobre Unit-Sets (en el árbol de archivos de la izquierda) y pulsamos en “New” para crear uno nuevo. Tomamos como base el SI y elegimos las unidades deseadas para la temperatura (ºC) y la presión (atm).

Alimentación combinada

Volvemos a “Specifications” (situado en el árbol de archivos de la izquierda) y marcamos, en los tres sitios señalados en la figura de abajo, el nuevo sistema de unidades que hemos personalizado

Nota: Es muy importante familiarizarse con el árbol de archivos de la izquierda, pues es muy útil para encontrar y acceder de forma directa a todos los apartados más interesantes de la simulación (components, blocks, streams, Results summary, etc)

Pulsar la tecla “NEXT” y pasamos a especificar todos los componentes que intervienen en el proceso a simular. (Otra opción para introducir las sustancias del proceso se pulsa en “Components”

) Para seleccionar los componentes que el programa tiene en su base de datos, podemos hacer dos cosas:

- Escribir el nombre en inglés en la columna “component name”. Ejemplo: Hydrogen, methanol - Escribir la formula molecular en la columna “Formula”. Ejemplo: H2O, CO2 (y pulsar intro)

Si no coincide exactamente, podemos pulsar en find y seleccionar el componente directamente de una lista ordenada alfabéticamente. En la columna “Component ID” le damos el nombre que queramos que luego aparezca en los reports. El enunciado del problema incluye una corriente de inertes, por lo que también debe recogerse en el simulador. Para introducir el inerte en el proceso podemos elegir una sustancia que en principio no afecte al proceso, como es el nitrógeno. Seguidamente pulsamos la tecla “NEXT” y continuamos introduciendo el tipo de proceso “Common” y el método de estimación y comportamiento del sistema “IDEAL”

pulsamos la tecla “NEXT” y definimos la corriente de alimentación. Para ello es necesario conocer los caudales molares de alimentación de cada componente. En el enunciado nos indican que entran en proporciones estequiométricas y un 0,5% de inerte. Suponemos una base de cálculo de 100 kmol/s y habrá que realizar los cálculos de forma manual. Según esto, entrarán 24,875 kmol/s de CO2; 74,625 kmol/s de H2 y 0,5 kmol/s de Inerte (comprobar que la suma de todos los componentes da 100 kmol/sec). Además habrá que introducir los datos de presión y temperatura de la corriente de entrada.

Pulsamos la tecla “NEXT” y vamos definiendo cada una de las unidades del diagrama. (En todos los casos, el nombre de la unidad aparecerá especificado en la parte superior de la ventana) En la unidad de purgado se define la fracción (siempre se utiliza tanto por 1) que circula por la corriente de purga.

En el reactor hay que introducir información en diferentes menus desplegables:

- En “Specifications”, habrá que definir condiciones de presión (70 atm) y temperatura (200 ºC) (en realidad en este problema dichas condiciones no se usan en la simulación, ya que en este tipo de reactor (estequiomético) nosotros fijaremos la conversión a alcanzar, y la conversión no será calculada en función de la temperatura ni de la presión).

- En el menú de “REACTIONS” pulsamos en el botón “New” para incluir los reactivos y productos, teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción. Pinchando dentro de las celdas que aparecen en blanco debajo de “Component”, aparece una casillla desplegable donde podemos seleccionar cada componente que corresponda en reactivos o productos y le asignamos su coeficiente estequiométrico (con signo negativo para los reactivos, pues desaparecen al transcurrir la reacción)

En el separador se indicará la fracción (en tanto por 1) que se obtiene de cada componente por una de las dos salidas: la corriente de cabeza o la corriente de cola (en este tipo de separador no se hacen cálculos. Fijamos lo que sale por una de las corrientes y automáticamente asigna la fracción restante a la otra corriente). Por los datos del enunciado, es más sencillo especificar los componentes que salen por la corriente de cabeza.

Un vez completadas todas las unidades, se pulsa la tecla “NEXT” y si toda la información necesaria ha sido correctamente introducida nos aparecerá el siguiente mensaje, donde pulsaremos OK para realizar la simulación del proceso.

Nos aparecerá la pantalla de resultados (Results summary) indicándonos las incidencias de la simulación. (si todo está correcto aparecerá el texto “calculations were completed normally”. También puede aparecer alguna advertencia tipo “Warning” para avisarnos de alguna pequeña incidencia, o aparecerá el texto “error” si la simulación ha fallado en alguna etapa) Pinchando en “Streams”, nos aparecerá una pantalla con los resultados de cada una de las corrientes. Si pulsamos el botón “STREAM TABLE”. La tabla de resultados se insertará junto al diagrama del proceso.

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Chapter 7

Aspen Plus User Guide 7-1Version 10.2

7 Physical PropertyMethods

Choosing the appropriate property method is often the key decision indetermining the accuracy of your simulation results. This chapter providesguidelines for choosing appropriate property methods and models including:• What is a property method• Available property methods• Choosing a property method• Creating new property methods• Specifying the global property method• Specifying a property method for a flowsheet section• Specifying a local property method• Defining supercritical components• Specifying properties for the free-water phase• Special method for K-value of water in the organic phase• Specifying electrolyte calculations• Modifying property methods• Property methods for nonconventional components

What Is a Property Method?

A property method is a collection of methods and models that Aspen Plus uses tocompute thermodynamic and transport properties.

PhysicalPropertyMethods

7-2 Aspen Plus User GuideVersion 10.2

The thermodynamic properties are:• Fugacity coefficient (K-values)• Enthalpy• Entropy• Gibbs free energy• Volume

The transport properties are:• Viscosity• Thermal conductivity• Diffusion coefficient• Surface tension

Aspen Plus includes a large number of built-in property methods that aresufficient for most applications. However, you can create new property methodsto suit your simulation needs.

Available Property Methods

You must select one or more Property Methods to model the properties of specificsystems in your flowsheet. Each property method has a unique approach torepresenting K-values.

The following tables list all of the property methods available in Aspen Plus.

You can modify these existing methods or create new methods. For moreinformation, see Modifying Property Methods on page 7-18.

Property Methods

Ideal Property Methods

Ideal Property Method K-Value Method

IDEAL Ideal Gas/Raoult's law/Henry's law

SYSOP0 Release 8 version of Ideal Gas/Raoult's law

Chapter 7


Equation-of-State Property Methods

Equation-of-State Property Method K-Value Method

BWR-LS BWR Lee-Starling

LK-PLOCK Lee-Kesler-Plöcker

PENG-ROB Peng-Robinson

PR-BM Peng-Robinsonwith Boston-Mathias alpha function

PRWS Peng-Robinsonwith Wong-Sandler mixing rules

PRMHV2 Peng-Robinsonwith modified Huron-Vidal mixing rules

PSRK Predictive Redlich-Kwong-Soave

RKSWS Redlich-Kwong-Soavewith Wong-Sandler mixing rules

RKSMHV2 Redlich-Kwong-Soavewith modified Huron-Vidal mixing rules

RK-ASPEN Redlich-Kwong-ASPEN

RK-SOAVE Redlich-Kwong-Soave

RKS-BM Redlich-Kwong-Soavewith Boston-Mathias alpha function

SR-POLAR Schwartzentruber-Renon

Activity Coefficient Property MethodsActivity CoefficientProperty Method

Liquid Phase ActivityCoefficient Method

Vapor Phase FugacityCoefficient Method

B-PITZER Bromley-Pitzer Redlich-Kwong-Soave

ELECNRTL Electrolyte NRTL Redlich-Kwong

ENRTL-HF Electrolyte NRTL HF Hexamerization model

ENRTL-HG Electrolyte NRTL Redlich-Kwong

NRTL NRTL Ideal gas

NRTL-HOC NRTL Hayden-O'Connell

NRTL-NTH NRTL Nothnagel

NRTL-RK NRTL Redlich-Kwong

NRTL-2 NRTL (using dataset 2) Ideal gas

PITZER Pitzer Redlich-Kwong-Soave

PITZ-HG Pitzer Redlich-Kwong-Soave

continued



Activity CoefficientProperty Method

Liquid Phase Activity CoefficientMethod


UNIFAC UNIFAC Redlich-Kwong

UNIF-DMD Dortmund-modified UNIFAC Redlich-Kwong-Soave

UNIF-HOC UNIFAC Hayden-O'Connell

UNIF-LBY Lyngby-modified UNIFAC Ideal gas

UNIF-LL UNIFAC for liquid-liquid systems Redlich-Kwong

UNIQUAC UNIQUAC Ideal gas

UNIQ-HOC UNIQUAC Hayden-O'Connell

UNIQ-NTH UNIQUAC Nothnagel

UNIQ-RK UNIQUAC Redlich-Kwong

UNIQ-2 UNIQUAC (using dataset 2) Ideal gas

VANLAAR Van Laar Ideal gas

VANL-HOC Van Laar Hayden-O'Connell

VANL-NTH Van Laar Nothnagel

VANL-RK Van Laar Redlich-Kwong

VANL-2 Van Laar (using dataset 2) Ideal gas

WILSON Wilson Ideal gas

WILS-HOC Wilson Hayden-O'Connell

WILS-NTH Wilson Nothnagel

WILS-RK Wilson Redlich-Kwong

WILS-2 Wilson (using dataset 2) Ideal gas

continued

Chapter 7


Activity CoefficientProperty Method

Liquid Phase ActivityCoefficient Method


WILS-HF Wilson HF Hexamerization model

WILS-GLR Wilson (ideal gas and liquid enthalpyreference state)

Ideal gas

WILS-LR Wilson (liquid enthalpy referencestate)

Ideal gas

WILS-VOL Wilson with volume term Redlich-Kwong

Property Methods for Special SystemsProperty Methods for SpecialSystems

K-Value Method System

AMINES Kent-Eisenberg amines model H2S, CO2, in MEA, DEA, DIPA, DGAsolution

APISOUR API sour water model Sour water with NH3, H2S, CO2

BK-10 Braun K-10 Petroleum

SOLIDS Ideal Gas/Raoult's law/Henry's law/solid activitycoefficients

Pyrometallurgical

CHAO-SEA Chao-Seader corresponding states model Petroleum

GRAYSON Grayson-Streed corresponding states model Petroleum

STEAM-TA ASME steam table correlations Water/steam

STEAMNBS NBS/NRC steam table equation of state Water/steam

Choosing a Property Method

Use the tables starting on page 7-6 and the figures on page 7-10 to select the bestproperty method for your simulation. For more information, see also Chapter 8for detailed descriptions of the data requirements for each property method.Many methods contain extensive built-in binary parameters, so they areessentially predictive.



Recommended Property Methods for DifferentApplications

Use these tables as guidelines for selecting the best property method for yoursimulation.

Oil and Gas ProductionApplication Recommended Property Methods

Reservoir systems PR-BM, RKS-BM

Platform separation PR-BM, RKS-BM

Transportation of oil and gas by pipeline PR-BM, RKS-BM

Refinery

Application Recommended Property Methods

Low pressure applications(up to several atm)

Vacuum tower, atmospheric crude tower

BK10, CHAO-SEA, GRAYSON

Medium pressure applications(up to several tens of atm)

Coker main fractionator,FCC main fractionator

CHAO-SEA, GRAYSON, PENG-ROB, RK-SOAVE

Hydrogen-rich applicationsReformer, Hydrofiner

GRAYSON, PENG-ROB, RK-SOAVE

Lube oil unit, De-asphalting unit PENG-ROB, RK-SOAVE

Chapter 7


Gas ProcessingApplication Recommended Property Methods

Hydrocarbon separationsDemethanizerC3-splitter

PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE

Cryogenic gas processingAir separation

PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE

Gas dehydration with glycols PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR

Acid gas absorption withMethanol (RECTISOL)NMP (PURISOL)

PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR

Acid gas absorption withWaterAmmoniaAminesAmines + methanol (AMISOL)CausticLimeHot carbonate

ELECNRTL

Claus process PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR

PetrochemicalsApplication Recommended Property Methods

Ethylene plantPrimary fractionator

Light hydrocarbonsSeparation trainQuench tower

CHAO-SEA, GRAYSON

PENG-ROB, RK-SOAVE

AromaticsBTX extraction

WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

Substituted hydrocarbonsVCM plantAcrylonitrile plant

PENG-ROB, RK-SOAVE

Ether productionMTBE, ETBE, TAME

WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

Ethylbenzene and styrene plants PENG-ROB, RK-SOAVE–or–WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

Terephthalic acid WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

(with dimerization in acetic acid section)

†See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association.



ChemicalsApplication Recommended Property Methods

Azeotropic separationsAlcohol separation

WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances†

Carboxylic acidsAcetic acid plant

WILS-HOC, NRTL-HOC, UNIQ-HOC

Phenol plant WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances†

Liquid phase reactionsEsterification

WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances†

Ammonia plant PENG-ROB, RK-SOAVE

Fluorochemicals WILS-HF

Inorganic ChemicalsCausticAcidsPhosphoric acidSulphuric acidNitric acidHydrochloric acid

ELECNRTL

Hydrofluoric acid ENRTL-HF

†See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association

Coal ProcessingApplication Recommended Property Methods

Size reduction crushing, grinding SOLIDS

Separation and cleaning sieving,

cyclones, precipitation, washing

SOLIDS

Combustion PR-BM, RKS-BM (combustion databank)

Acid gas absorption withMethanol (RECTISOL)NMP (PURISOL)


Acid gas absorption withWaterAmmoniaAminesAmines + methanol (AMISOL)CausticLimeHot carbonate

ELECNRTL

Coal gasification and liquefaction See Synthetic Fuels table.

Chapter 7


Power GenerationApplication Recommended Property Methods

CombustionCoalOil

PR-BM, RKS-BM (combustion databank)

Steam cyclesCompressorsTurbines

STEAMNBS, STEAM-TA

Acid gas absorption See gas processing.

Synthetic FuelApplication Recommended Property Methods

Synthesis gas PR-BM, RKS-BM

Coal gasification PR-BM, RKS-BM

Coal liquefaction PR-BM, RKS-BM, BWR-LS

EnvironmentalApplication Recommended Property Methods

Solvent recovery WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

(Substituted) hydrocarbon stripping WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances †

Acid gas stripping fromMethanol (RECTISOL)NMP (PURISOL)


Acid gas stripping from:WaterAmmoniaAminesAmines + methanol (AMISOL)CausticLimeHot carbonate

ELECNRTL

AcidsStripping Neutralization

ELECNRTL

†See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association.

Water and SteamApplication Recommended Property Methods

Steam systemsCoolant

STEAMNBS, STEAM–TA



Mineral and Metallurgical ProcessesApplication Recommended Property Methods

Mechanical processing:CrushingGrindingSievingWashing

SOLIDS

HydrometallurgyMineral leaching

ELECNRTL

PyrometallurgySmelterConverter

SOLIDS

Guidelines for Choosing a Property MethodThe following diagrams show the process for choosing a property method.

Polar

Non-electrolyte

Electrolyte

Real

Vacuum

ELECNRTL

CHAO-SEA, GRAYSON,BK10

BK10, IDEAL

PENG-ROB, RK-SOAVE,LK-PLOCK, PR-BM,RKS-BM

Pseudo &Real

Nonpolar

Real or Pseudocomponents

Electrolyte

Pressure

Polarity

*

> 1atm

* See the figure on page 7-11.

Chapter 7


Guidelines for Choosing a Property Method

P < 10 bar

P > 10 bar

Polar,non-electrolyte

PSRK, RKSMHV2

SR-POLAR, PRWS,RKSWS, PRMHV2,RKSMHV2

UNIFAC, UNIF-LBY,UNIF-DMD

UNIF-LL

NRTL, UNIQUAC,and their variances

WILSON, NRTL, UNIQUAC,and their variances

Pressure

Interaction parameters available

Liquid-Liquid

Y

Y

N

N

Y

N

Y

N

* See the figure on page 7-12 .



Guidelines for Choosing a Property Method for PolarNon-Electrolyte Systems

Guidelines for Choosing an Activity Coefficient PropertyMethod

Vapor phase association

Degrees of polymerization

Dimers

WILS-HF

WILS-NTH, WILS-HOCNRTL-NTH, NRTL-HOCUNIQ-NTH, UNIQ-HOCUNIF-HOC

WILSON, WILS-RK,WILS-LR, WILS-GLR,NRTL, NRTL-RK, NRTL-2UNIQUAC, UNIQ-RK,UNIQ-2, UNIFAC, UNIF-LL,UNIF-LBY, UNIF-DMD

WILSONNRTLUNIQUACUNIFAC

N

Y

VAP?

Hexamers

DP?

General Guidelines for Choosing an Activity Coefficient PropertyMethod

Specifying the Global Property MethodAspen Plus uses the global property method for all property calculations, unlessyou specify a different property method for a specific flowsheet section, unitoperation block, or property analysis.

To specify the global property method:

1. From the Data menu, click Properties.

2. On the Global sheet, in the Property Method list box, specify the propertymethod.

Grado en Ingeniería Química Diseño de Reactores

Curso 2013-14

PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA

Simulación de reactores con Aspen-Plus

Parte 1: Modelos de reactores

A) Hay 7 modelos de reactores en Aspen Plus:

Modelo Descripción Propósito Utilidad

RStoic Reactor

estequiométrico

Modela reactores

estequiométricos con

extensión o conversión

especificada

Reactores donde la cinética no se conoce o es poco

importante, pero la estequiometría y la extensión

de la reacción o la conversión son conocidas

RYield Reactor de

producción

Modela reactor con una

producción específica

Reactores donde la estequiométrica y la cinética

son desconocidas o poco importantes, pero el

rendimiento/distribución de los productos sí es

conocida

REquil Reactor de

equilibrio

Realiza equilibrio

químico y de fases por

cálculos estequiométricos

Reactores en los que una o todas las reacciones

alcanzan el equilibrio. Cálculo con simultáneos

equilibrios químicos y de fases.

RGibbs Reactor de

equilibrio con

minimización

de energía de

GIBBS

Realiza equilibrio

químico y de fases por

minimización de la

energía de GIBBS

Reactores con simultáneos equilibrios químicos y

de fases. Cálculo de equilibrios de fase para

soluciones con sólidos y sistemas vapor-líquido-

sólido.

RCSTR Reactor

continuo de

tanque agitado

Modela de forma rigurosa

reactor de tanque agitado

(mezcla perfecta)

Reactores de tanque agitados con una, dos, o tres

fases; con reacciones de equilibrio controladas en

alguna fase; basado en estequiometría o cinética.

La cinética se define de forma separada en el

bloque Reactions

RPlug Reactor de flujo

pistón


reactor de flujo pistón

Reactores de flujo pistón con una, dos, o tres fases;

con reacciones de equilibrio controladas en alguna

fase; basado en estequiometría o cinética. La

cinética se define de forma separada en el bloque

Reactions

RBatch Reactor

discontinuo


reactores discontinuos o

semicontinuos

Reactores discontinuos o semicontinuos con una,

dos, o tres fases; con reacciones de equilibrio

controladas en alguna fase; basado en

estequiometría o cinética. La cinética se define de

forma separada en el bloque Reactions

Figura 1. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Blocks”, dentro de la pestaña de

reactores y más concretamente dentro de Reactores de tipo FMC (CSTR).

Consideraciones generales sobre los distintos modelos de reactores:

No es necesario suministrar datos del calor de reacción en ninguno de los modelos de

reactor. Aspen Plus calcula dicho calor de reacción a partir de los calores de formación de

los reactivos y productos que intervienen en cada reacción.

Los reactores de tipo RStoic, RYield, RGibbs and RCSTR admiten varias corrientes de

alimentación, y el programa realiza la mezcla internamente.

Desde un punto de un punto de vista de la ingeniería de procesos los tipos de reactor que más

nos interesan son los modelos: RStoic, RCSTR, RPlug y RBatch.

El tipo RStoic ya se ha utilizado en las prácticas de Aspen Plus de la asignatura “Balances de

Materia y Energía”. Es el modelo que permite la aplicación de dichos balances, para los que

suele ser necesario el conocimiento de la estequiometría de la reacción o reacciones que

tienen lugar, pero no es necesario el conocimiento de la cinética.

Para aplicaciones de diseño en general (calculo del volumen necesario para alcanzar una

determinada conversión, o la conversión que se alcanza en un reactor de volumen conocido,

etc.) los modelos que se suelen emplear son: RCSTR (Continuous Stirred Tank Reactor),

RPlug y RBatch. Éstos se usan para diseñar un reactor continuo de mezcla perfecta (tanque

agitado), un reactor de flujo pistón (tubular) y un reactor discontinuo o semicontinuo,

respectivamente.

En la tabla 2 se muestra un resumen de la información necesaria en cada modelo de reactor, así como

sus posibilidades de cara al diseño.

Modelo Estequiometría Cinética Diseño Corrientes de

Alimentación

RStoic Si No No 1 o varias

RYield No No No 1 o varias

REquil No No No 1 o varias

RGibbs No No No 1 o varias

RCSTR Si Si Si 1 o varias

RPlug Si Si Si Solo 1

RBatch Si Si Si Solo 1

Tabla 2. Resumen de los modelos de reactor en Aspen Plus.

B) En cuanto al tipo de reacción (Bloque Reactions), hay 2 modelos de reacción:

- Con electrolitos: intervienen especies iónicas -------------- Seleccionar: Chemistry

- Sin electrolitos: Velocidades de reacción/equilibrios ----- Seleccionar: Reactions

Para una gran mayoría de las reacciones con cinéticas de reacción o equilibrios, normalmente se trata

de sistemas sin electrolitos. Por tanto hay que entrar dentro de Reactions del bloque Reactions. Las

sucesivas reacciones que se van introduciendo, se identifican mediante un ID (Identification Number)

(R-1, R-2, etc).

Pueden usarse en los siguientes modelos de reactores (también en el modelo de columna: Radfrac):

- Rbatch

- RCSTR

- RPlug

El bloque Reactions permite usar varios modelos cinéticos para las reacciones, entre ellos:

- Modelo cinético Power Law (ecuación de tipo potencial).

- Modelo LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson).

- Modelo de equilibrio.

- Cinéticas definidas por el usuario.

C) Modelo cinético POWER LAW

La expresión general para la ecuación cinética de la reacción es la siguiente:

N

i

i

TTR

En

iCeT

Tkr

1

11

0

0

Donde:

- r = velocidad de reacción (rate of reaction)

- k = factor pre-exponencial (pre-exponential factor)

- T = temperatura absoluta, en grados Kelvin (absolute temperature)

- T0 = temperatura de referencia (reference temperature)

- n = exponente de temperatura (temperature exponent)

- E = energía de activación de la reacción (activation energy)

- R = constante de los gases (gas law constant)

- N = number of components

- Ci = concentración del componente i (concentration of component i)

- α i = orden de reacción del componente i (exponent of component i)

En el caso de que no sea necesario definir una temperatura de referencia, la expresión anterior del

modelo se simplifica a:

N

i

i

RT

E

n iCeTkr1

En la mayoría de los casos, se trabaja con la expresión de Arrhenius para la constante de velocidad

(es decir, n = 0); por lo que, conocidos el factor pre-exponencial (k) y la energía de activación de la

reacción (E), estaría definida la constante de velocidad.

No se debe olvidar introducir el orden de la reacción con respecto del componente (Exponent), y que

no hay que confundir con el coeficiente estequiométrico con el que dicho componente participa en la

misma (Coefficient).

Nota importante: Como se puede ver en esta figura, es posible introducir el valor de la energía de

activación en distintas unidades, pero no ocurre así con el valor del factor pre-exponencial, que

siempre debe introducirse en unidades del sistema internacional (SI).

D) Ejemplo: modelado de un Reactor CSTR

1. Establecer componentes y propiedades físicas (Chao-Seader)

Nótese que se puede escoger cualquier isómero del dietilbenceno

2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el

diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada

3. Definir las reacciones que tienen lugar dentro del bloque Reactions > Reactions > New…

4. El programa va asignando un número ID correlativo a cada reacción y en Select type escoger

POWERLAW para introducir una expresión cinética de tipo exponencial.

5. Incluir los coeficientes estequiométricos con los que participan los distintos reactivos y

productos en las distintas reacciones (Coefficient) así como los respectivos órdenes de

reacción (Exponents).

6. Poner los datos de la cinética de la reacción. Con la formulación dada no es necesario poner

nada en T0.

7. Poner las condiciones de operación del reactor en la pestaña Specifications. Nótese que en

este caso se debe poner líquido únicamente.

8. Añadir el grupo de reacciones que tiene lugar en cada reactor, seleccionándolas de entre las

que se han introducido en la pestaña Reactions.

9. Comprobar que se ha completado toda la lista de datos necesario y ejecutar la simulación.

Referencias bibliográficas:

- Aspen Plus ® Aspen Plus User Guide, Version 10.2, Aspen Technology, Inc

- Teach yourself the basics of Aspen Plus, R. Schefflan, AIChE Wiley, 2011.


Curso 2013-14

PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA

Simulación de reactores con Aspen-Plus

Parte 2: Modelo cinético POWER LAW

La expresión general para la ecuación cinética de la reacción según este modelo es la siguiente:

N

i

i

TTR

En

iCeT

Tkr

1

11

0

0

Donde:

- r = velocidad de reacción (rate of reaction)

- k = factor pre-exponencial (pre-exponential factor)

- T = temperatura absoluta, en grados Kelvin (absolute temperature)

- T0 = temperatura de referencia (reference temperature)

- n = exponente de temperatura (temperature exponent)

- E = energía de activación de la reacción (activation energy)

- R = constante de los gases (gas law constant)

- N = number of components

- Ci = concentración del componente i (concentration of component i)

- α i = orden de reacción del componente i (exponent of component i)

En el caso de que no sea necesario definir una temperatura de referencia, la expresión anterior del

modelo se simplifica a:

N

i

i

RT

E

n iCeTkr1

En la mayoría de los casos, se trabaja con la expresión de Arrhenius para la constante de velocidad

(es decir, n=0), por lo que conocidos el factor pre-exponencial (k) y la energía de activación de la

reacción (E), estaría definida la constante de velocidad.

No se debe olvidar introducir el orden de la reacción con respecto del componente (Exponent), y que

no hay que confundir con el coeficiente estequiométrico con el que dicho componente participa en la

misma (Coefficient).

Como se puede observar en la imagen anterior dentro de R-1 se han definido 4 reacciones, todas ellas

con cinética de tipo potencial para detallar la cinética de dos reacciones reversibles: la primera y la

segunda se corresponden con las reacciones directa e inversa de descomposición del benceno

respectivamente, y la tercera y la cuarta se corresponden con las reacciones directa e inversa de la

segunda reacción.

Nota importante: Como se puede ver en esta figura, es posible introducir el valor de la energía de

activación en distintas unidades, pero no ocurre así con el valor del factor pre-exponencial, que

siempre debe introducirse en unidades del sistema internacional (SI).

Una vez que se tiene claro el modelo de reactor elegido, las reacciones que tiene lugar y su cinética,

las etapas de cualquier simulación de forma genérica serían:

1. Establecer componentes y propiedades físicas

2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el

diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada

3. Definir las reacciones que tienen lugar: Dentro del Bloque Reactions --- Reactions ----

New… ---- (el programa va asignando un número ID correlativo) y en Select type: escoger

POWERLAW si la expresión cinética es de tipo exponencial

4. Incluir los coeficientes estequiométricos con los que participan los distintos reactivos y

productos en las distintas reacciones (Coefficient) así como los respectivos órdenes de

reacción (Exponents).

5. Poner los datos de la cinética de la reacción (con la formulación dada no es necesario poner

nada en T0); indicar si dicha reacción tiene lugar en fase líquida, gas, … (Reacting phase

dentro de la pestaña Kinetic); indicar la expresión de velocidad si está referida a volumen de

reactor (Rate Basis dentro de la pestaña Kinetic)

6. Dentro del bloque del reactor, indicar las condiciones de operación del reactor en la pestaña

Specifications (nótese que en este caso se debe poner líquido únicamente) y añadir el grupo

de reacciones que tienen lugar en cada reactor en concreto en la pestaña Reactions

8

Reactor models There are 7 built-in reactor models, RSTOIC, RYIELD, REQUIL, RGIBBS, RPLUG,

RCSTR and RBATCH, in Aspen Plus. RPLUG, RCSTR and RBATCH are rigorous

models for plug flow, CSTR and batch reactors, respectively.

RSTOICH should be used in cases where the stoichiometry is known but the reaction kinetics is either unknown or negligible. If both, the reaction kinetics and

stoichiometry is unknown RYIELD should be incorporated into the simulations. For single phase chemical equilibrium or simultaneous phase and chemical equilibrium

calculations the reactor model of choice should be either REQUIL or RGIBBS. REQUIL bases its calculations on simultaneous solution of stoichiometric chemical and phase equilibrium calculations whereas RGIBBS solves its model by minimizing Gibbs free

energy.

All reactor models except RPLUG and RBATCH can have any number of material

feed streams. These streams are mixed internally. The rigorous models can incorporate built-in power law or Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson kinetics or custom kinetics specified by user. Custom kinetics can be defined either in Fortran subroutines

or in excel worksheets.

Table 1 Summary of reactor models in Aspen Plus

Model Stoichiometry Kinetics Rigorous Feed

RSTOIC Yes No No Any

RYIELD No No No Any

REQUIL No No No Any

RGIBBS No No No Any

RBATCH Yes Yes Yes 1

RCSTR Yes Yes Yes Any

RPLUG Yes Yes Yes 1

9

Example Problem - Pyrolysis of Benzene Aspen Plus will be introduced with benzene pyrolysis reaction in a plug flow reactor

in this tutorial. The next three pages will present the details and the data.

Diphenyl (C12H10) is an important industrial intermediate. One production scheme

involves the pyrolytic dehydrogenetation of benzene (C6H6) [1]. During the process, triphenyl (C18H14) is also formed by a secondary reaction.

The reactions are as follows:

(1) 2101266 HHC HC 2 +←→

(2) 21418101266 HHC HCHC +←→+

Substituting the symbolic IDs A = C6H6, B = C12H10, C = C18H14 and D = H2

(3) D B A 2 +←→

(4) DC BA +←→+

Murhpy, Lamb and Watson presented some laboratory data regarding these reactions originally carried out by Kassell [2]. In these experiments, liquid benzene was vaporized, heated to the reaction temperature and fed to a plug flow reactor (PFR). The

product stream is condensed and analyzed for various components. The results are tabulated in Table 1.

Table 2 Laboratory data for P = 1 atm.

Temperature

(°F)

Flow rate

(lbmole/hr)

yA yB yC yD

1400 0.0682 0.8410 0.0695 0.00680 0.0830

1265 0.0210 0.8280 0.0737 0.00812 0.0900

1265 0.0105 0.7040 0.1130 0.02297 0.1590

1265 0.0070 0.6220 0.1322 0.03815 0.2085

1265 0.0053 0.5650 0.1400 0.05190 0.2440

1265 0.0035 0.4990 0.1468 0.06910 0.2847

1265 0.0030 0.4820 0.1477 0.07400 0.2960

1265 0.0026 0.4700 0.1477 0.07810 0.3040

1265 0.0007 0.4430 0.1476 0.08700 0.3220

1265 0.0003 0.4430 0.1476 0.08700 0.3220

10

Additional data

A = C6H6 B = C12H10 C = C18H14 D = H2

The reactor tube dimensions:

L = 37.5 in, D = 0.5 in

Rate laws

−=−

A

DBAAA K

pppkr

1

211

−=−

B

DCBABB K

ppppkr

222

Specific reaction rate constants

)exp( 111 RT

EAk A −=

)exp( 222 RT

EAk B −=

Equilibrium constants

21 )ln( ln TETDTC

TB

AK A ′+′+′+′

+′=

22 )ln( ln TETDTC

TB

AK B ′′+′′+′′+′′

+′′=

11

Parameter values

E1 = 30190 cal/mol A1 = 7.4652E6 lbmole/h/ft3/atm2

E2 = 30190 cal/mol A2 = 8.6630E6 lbmole/h/ft3/atm2

A’ = -19.76 A’’ = -28.74

B’ = -1692 B’’ = 742

C’ = 3.13 C’’ = 4.32

D’ = -1.63E-3 D’’ = -3.15E-3

E’ = 1.96E-7 E’’ = 5.08E-7

P = 14.69595 psi R = 1.987 cal/mol/K

Exercise

Follow the instructions during the lab session and use the handouts to replicate the

data presented in Table 1 for T = 1400 °F and P = 1 atm using Aspen Plus. What is the percent difference between experimental and simulated mole fractions?

[1] H.S. Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd ed., p.77-79,

Prentice Hall, New Jersey, 1999.

[2] G.B. Murphy, G.G. Lamb, and K.M. Watson, Trans. Am. Inst. Chem. Engrs., (34) 429, 1938.

12

Tutorial

Flowsheet

We will start creating our flowsheet by adding a reactor from Model Library toolbar

to the Process Flowsheet Window. Select the Reactors tab on the Model Library toolbar. The built-in models for reactors are RSTOICH, RYIELD, REQUIL, RGIBBS,

RCSTR, RPLUG and RBATCH. Clicking the down arrow to the right of the model gives different symbol choices for the user to insert into the flowsheet.

Select the left bottom symbol after expanding the RPLUG symbols and draw a

rectangle where you want to insert on the Process Flowsheet Window. Now the Process Flowsheet Window should have an icon representing your plug flow reactor as shown in

the next picture. In Aspen Plus terminology it is a Block. Hence, it is named by default

as B1.

13

Now select the STREAMS section of the Model Library toolbar. Aspen Plus has

three different stream categories, Material, Heat and Work, as shown in the next figure. Material Stream is the default icon shown.

14

After selecting the Material Stream icon draw a line on the flowsheet from a point to the left of the block B1 towards B1. You will realize two highlighted arrows as you approach

the block. The red line is the required FEED connection to RPLUG. The blue line is the optional heating or cooling fluid entrance. Select the red arrow to connect your feed

stream.

The stream is named as S1 by default. Similarly connect your product stream to the block. When you are done your flowsheet should look like the following picture. There

will be still two highlighted blue arrows for heat duty requirements. As these streams are optional we can proceed with the next activity. Note the change in the status message

from Flowsheet Not Complete to Required Input Incomplete. Clicking on the arrow above the streams icon will hide the blue arrows and let you freely move the icons on your flowsheet and arrange them to your liking.

15

One thing that might be useful is to align the streams and blocks. To do that, draw a large rectangle to select all of your icons on the flowsheet and then right click to

activate a pop up menu. Select the Align Blocks entry from this pop up menu. If you do not select all icons, but only one, a different pop up menu will be activated.

You can also rename the objects you insert onto the flowsheet. To do that highlight the object you want to rename and click the right mouse button. A pop up menu will be activated. Select the Rename Block entry from it. The next picture shows the rename

operation for the block B1.

16

After renaming stream S1 to FEED, stream S2 to PRODUCT and B1 to REACTOR the flowsheet will look like the following picture. At this stage the flowsheet is

complete and the rest of the specification is done with Input Forms.

Whenever you have doubts on what to do next , the lowest energy action is to

click the Next Button.

This button will take you to next part of the specification or tell you what is missing from your specifications.

17

At this point, we know that the flowsheet is complete. However, we also know

that parts of the required input are missing. Remember, if we are not sure what to do next we click the Next Button.

18

Components input forms

The response will be a message dialog offering to display the next input form. Clicking on ok brings up the Components section of the Data Browser.

Fill out the table as suggested in the above picture. Component ID is essentially an alias for the components. As the components we are dealing in this problem are simple enough I used their formulas as component IDs. From these component IDs Aspen

Plus fills out the name and formula columns. However, for the fourth component it will

fail because there are three isomers with the same formula : Meta-, Para-, and Ortho-

terphenyl. As another hint, enter TERPHENYL in the name column of the fourth component. This will bring up a dialog box as follows:

19

Select M-TERPHENYL, click Add and finally, close the dialog. Now the input form

should look like the next picture.

20

The blue check sign indicates that the minimum requirements for this section are complete. Now, hitting the Next Button will take you to the next input form. However,

let’s modify the defaults selected by Aspen Plus in the Setup section, first. Therefore

close the Components section and open the Setup section in the Data Browser.

21

Setup input form

One useful option set to customize is the Report Options. The next picture illustrates my choices.

Although optional, it is also a good idea to fill out a title and description for your project. The next two pages show two suggestions for these entries.

23

Next Button will take you to the Properties input forms.

24

Properties input forms

In this section the parameters for various component properties are set. As the pressure is low enough ideal conditions will be assumed. SYSOP0 is the property

method in Aspen Plus™ that provides ideal behavior in liquid and vapor phases. You can get information about a feature by selecting the What’s this? entry from Help menu

and clicking on the feature you are interested in. Most of the time a yellow tool tip box will pop up with a short reasonable description.

25

Streams input forms

FEED steam is assumed to consist of pure benzene at atmospheric pressure with conditions specified in the example problem description.

26

Blocks input forms

Now we will specify the reactor specifications. First, we assume isothermal operation at inlet conditions.

27

Next, we enter the physical dimensions of the reactor. Note the option about the multitube reactors.

28

Finally, we define a reaction set for our simulation. The default name R-1 is fine.

29

We will represent reactions with power law kinetics in this reaction set.

30

Reactions input forms

In these forms we will first enter the stoichiometric and power law coefficients for all components in each reaction, and then we will move on to kinetics tab. In Aspen Plus™

notation we will represent the two reversible reactions as four separate reactions, each with their own kinetic expression. Select New to proceed and fill the boxes as suggested

by the following pictures.

31

After completing the first reaction select New from Reaction No. list. Enter 2 for

reaction number as suggested below.

Next picture will show the coefficients for the reversed part of the first reaction. In Aspen Plus™ notation, this will be our 2nd reaction

32

In these entries note that we brought all species on a “per mole of benzene” basis. This is an important detail.

Similarly, enter the last two equations. The next screen will show the resulting stoichiometric relations.

34

The kinetics coefficients are specified in the following four pages. Note that the definition of the kinetic factor expression is a little different. It is a more general definition

for the specific reaction rate constant. When To is ignored Aspen Plus™ defaults back to simpler Arrhenius Equation. Also note that k should be specified in SI units

regardless of the units used elsewhere.

SI units

37

All required input is now complete. We are ready to run the simulation. Clicking the

Next Button will invoke the following dialog.

38

Control Panel

Control panel will show the progress of our simulation. All warning, error, and status messages will also be presented in this screen. After the simulation completes

successfully we can analyze them pressing the blue folder icon with check mark on the Control Panel toolbar.

39

Results

The results summary is shown by default. The first page is the run status screen.

40

The streams screen gives the results for all streams. You can compare the mole fractions to the one reported in the original problem specification.

41

The profiles screen is where you will find concentration, temperature, etc. profiles along the reactor. These results can be analyzed by the Plot Wizard entry from the Plot

menu.

To plot the molar concentration profiles follow the steps outlined in the next three pages.

44

This concludes our introductory tutorial on Aspen Plus™.


Curso 2013-14

PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA Simulación de reactores con Aspen-Plus

Tema 3: Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson Para el caso de reacciones catalizadas por sólidos, se suelen considerar que se dan las siguientes etapas en serie en el proceso:

- 1. transporte de reactivos hasta la superficie de la partícula sólida catalítica - 2. transporte de reactivos en los poros del catalizador - 3. adsorción de reactivos en los centros activos de la partícula - 4. reacción superficial - 5. desorción de los productos - 6. transporte de productos en los poros del catalizador - 7. transporte de productos desde la superficie hasta el seno del fluido

Las etapas “de superficie” son las etapas 3, 4 y 5 (adsorción, reacción y desorción) y que son las que constituyen las etapas de reacción catalítica. En muchas ocasiones, el fenómeno de superficie es la etapa controlante del proceso global. Las expresiones de velocidad que se deducen teniendo en cuenta los distintos mecanismos de las distintas etapas, tienen todas la forma:

( ) ( )( )aresistencideotér

equilibriodelentodesplazamiopotencialcinéticootérreaccióndevelocidadmin

min ⋅=

Cada mecanismo de reacción con su factor controlante tiene su correspondiente ecuación de velocidad, incluyendo cada una de tres a siete coeficientes arbitrarios. En Aspen Plus, el modelo cinético válido para este tipo de reacciones que incluyen en su expresión de velocidad el fenómeno de adsorción/desorción, es el modelo Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson, que aparece con sus siglas LHHW en el desplegable de los modelos de cinética de reacción.

De forma análoga a lo anteriormente expuesto, la expresión general para la ecuación cinética es la siguiente:

( ) ( )( )ressionadsorption

ressionforcedrivingfactorkineticrexp

exp⋅=

El término cinético (kinetic factor) sigue teniendo la expresión genérica (idéntica a la que nos encontramos en el modelo POWERLAW):

( )

−⋅

−

⋅

⋅= 0

11

0

TTREn

eTTkfactorkinetic

El término de potencial o fuerza impulsora (driving force) también tiene una expresión análoga:

( ) ji

N M

1 i 2 ji 1 j 1

driving force exp ression K C K C βα

= =

= ⋅ − ⋅∏ ∏

El término de resistencia (adsorption expresión) tiene la siguiente expresión:

( ) i

mM N

j ij 1 i 1

adsorption expression K C υ

= =

= ⋅

∑ ∏

Ejemplo: modelado de un Reactor CSTR

1. Establecer componentes y propiedades físicas (Chao-Seader)

Nótese que se puede escoger cualquier isómero del dietilbenceno

2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada

3. Definir las reacciones que tienen lugar: Dentro del Bloque Reactions --- Reactions ----New… ---- (el programa va asignando un número ID correlativo) y en Select type: escoger POWERLAW si la expresión cinética es de tipo exponencial

4. Poner la estequiometría de las reacciones sin olvidar que los exponentes (Exponents) indican el orden de la reacción

5. Poner los datos de la cinética de la reacción (con la formulación dada no es necesario poner nada en T0)

6. Poner las condiciones de operación del reactor en la pestaña Specifications (nótese que en este caso se debe poner líquido únicamente) y añadir el grupo de reacciones que tienen lugar en cada reactor en concreto en la pestaña Reactions

Referencias bibliográficas:

- Aspen Plus ® Aspen Plus User Guide, Version 10.2, Aspen Technology, Inc - Teach yourself the basics of Aspen Plus, R. Schefflan, AIChE Wiley, 2011.

ASPEN PLUS EN DISEÑO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN

SESIÓN 1 y 2

Objetivos

1) Identificar las herramientas auxiliares de Aspen plus para obtener información útil de tipo

termodinámica y de equilibrio de fases para resolver problemas de separación.

2) Conocer los principales modelos del software y sus limitaciones y posibilidades.

2) Resolver problemas sencillos tipo Flash y aprender a hacer análisis de sensibilidad y de

especificación de condiciones.

Contenido

NOTA IMPORTANTE: Entrar por la interfaz de usuario (Aspen Tech/Process Modelling/Aspen

Plus/ Aspen Plus User interface

Se generará un error de red (en segundo plano) que hay que aceptar.

OTRA NOTA IMPORTANTE: Cada caso de Aspen Plus genera varios archivos del mismo

nombre de diferentes extensiones. Es conveniente crear una carpeta por caso para que

todos estos archivos estén en la misma carpeta y no haya problemas de pérdida de datos.

Comentar los distintos modelos que emplea ASPEN PLUS para operaciones de separación

En la librería de unidades encontraremos unidades de separación en dos pestañas: separators

(operaciones en una etapa) y columns (separación en varias etapas). Los bloques con el mismo

nombre son la misma unidad , sólo cambia el icono.

La pestaña separators incluye cinco posibilidades:

Sep 1 y Sep 2.

Sep 1 es un separador simple (que puede obedecer a cualquier operación de separación) que

simplemente permite especificar la fracción de cada componente de una corriente que se

separa. No hay aspectos de diseño, ni relacionados con la naturaleza de la operación y

tampoco aspectos energéticos. Simplemente "fracciona" los componentes como una caja

negra. Admite varias entradas y salidas pero hay que especificar el fraccionamiento en cada

unidad de todos los componentes. Es útil si el balance de energía es desconocido o no importa.

Sep 2 es similar aunque admite algunos parámetros de rendimiento adicionales. En ambos

casos se obvian los detalles de la separación.

Flash 2 y flash 3

Flash 2 es un modelo riguroso que simula un separador de una sola etapa con una o más

entradas y dos salidas: una de vapor y otra líquida. Opcionalmente se puede especificar una

salida adicional de decantación de agua. Permite especificar un comportamiento V‐L o V‐L‐L en

su interior para condiciones de mezclas inmiscibles

Como es riguroso necesita de que se especifique el estado energético del sistema indicando

dos de los siguientes parámetros: P, T, intercambio de calor o fracción de vapor generada.

Flash 3 es similar aunque se obtienen tres corrientes de salida (V‐L‐L) lo que implica separación

de fases inmiscibles líquidas. Puede especificarse con una corriente de vapor nula lo que lo

convierte en un decantador L‐L en el que se generan vapores que no se separan (en equilibrio).

Tanto uno como otro permiten especificar un porcentaje de arrastre de la fase líquida en la

corriente de salida del vapor.

Los bloques flash además de resolver este tipo de unidades sencillas permiten obtener todo

tipo de información termodinámica y de equilibrio de las mezclas de componentes que

contienen. Si se especifica una fracción de vapor de 0 se obtienen las condiciones del punto de

burbuja y si se especifica una fracción de vapor de 1 se obtienen las condiciones del punto de

rocío. Por otra parte si se especifica la condición "Heat duty = 0" se convierte en un flash

adiabático. Especificando un valor de temperatura es isotérmico.

Decanter:

Obedece a la operación unitaria de separación L‐L en una etapa con suficiente tiempo de

residencia para estabilizar las fases y sin generación de volátiles (en tal caso hay que usar Flash

3 con V=0).

Se debe especificar la condición termodinámica con dos de los tres parámetros :P, T o

intercambio de calor. Puede generar información termodinámica y de equilibrio de fases L‐L.

La pestaña columns incluye cuatro modelos genéricos (DSTWU, DISTL, RADFRAC y

EXTRACT y cuatro modelos específicos: MULTIFRAC, SCFRAC, PETROFRAC y

BATCHSEP).

Modelos simplificados: DSTWU, DISTL y SCFRAC

Los modelos DSTWU y DISTL son los más sencillos y generan columnas únicas. Permiten

incorporar una separación de agua en el condensador de cabeza y realizar cálculos free‐water.

El modelo SCFRAC también es del mismo tipo pero tiene aplicaciones específicas de refinería.

El modelo DSTWU opera bajo el método de cálculo de fracción ligera y fracción pesada de

Winn‐Underwood‐Gilligand. Sólo admite una alimentación y dos corrientes de salida (cabeza y

cola) aunque el condensador de cabeza puede ser total o parcial. Es la mejor opción para

mezclas binarias o asimilables a binarias (clave ligera‐clave pesada) donde sólo se pretenda

optimizar el rendimiento de destilación en base al número de platos y la relación de reflujo.

Permite optimizar la colocación del plato de alimentación y calcular los requerimientos de

calor en el condensador y el calderín. Su campo de aplicación es el refino y optimización de la

solución de métodos aproximados (McCabe‐Thiele y Sorel‐Lewis).

Puede generar diagramas y tablas L/D vs NPT.

Por su parte el modelo DISTL es similar al DSTWU pero admite una alimentación

multicomponente sin tener que aproximarlo a una mezcla binaria.

Se deben especificar la relación de reflujo, el número de platos teóricos y la ratio de

productividad (D/F). Luego mediante simulación permite optimizar el resultado.

No permite optener la relación de reflujo mínima ni el número de platos mínimo.

El modelo SCFRAC es más completo aunque sigue siendo un modelo simplificado, pues admite

tantas corrientes de salida como se deseen y varias secciones en la columna o incluso alguna

corriente de stripping por vapor. Su campo de trabajo es el de las unidades típicas de refinería

desde un punto de vista no riguroso.

Modelos rigurosos: RADFRAC, PETROFRAC, MULTIFRAC, BATCHSEP Y EXTRACT

EXTRAC es un modelo exclusivo de extracción L‐L riguroso pero que no permite especificar

aspectos de diseño de la columna. Pueden incorporarse varias alimentaciones y salidas

laterales. Es el único modelo de esta operación unitaria del que dispone ASPEN PLUS.

RADFRAC es el modelo riguroso de amplio espectro de ASPEN PLUS. Es lo suficientemente

versátil como para cubrir la mayoría de casos y no sólo modeliza la operación de rectificación,

y también es apto para stripping G‐L y Absorción G‐L.

Adicionalmente es capaz de modelizar:

‐ Sistemas con tres fases (V‐L‐L).

‐ Sistemas con reacción

‐ Destilaciones extractivas y azeotrópicas.

‐ Sistemas con grandes desviaciones de la idealidad en fase líquida.

‐ Separar secciones de columnas como columnas individuales.

RADFRAC puede manejar sólidos (incluyendo precipitación de sales) y agua y decantarla en el

condensador.

RADFRAC tiene dos niveles de complejidad:

‐ Rating mode: Puede calcular temperaturas, caudales y perfiles de fraccionamiento en la

columna. Acepta eficiencias de vaporización y de Murphree.

‐ Design mode: El máximo nivel de complejidad. Se pueden especificar aspectos de diseño

como el tipo de platos o empaquetamiento.

Los otros modelos de operación en continuo MULTIFRAC y PETROFRAC son versiones que

admiten más de una columna acoplada y diseñadas específicamente para aplicaciones

conocidas (ver guía de ayuda sección: Help topics: Aspen plus reference, unit operation models

reference).

Por su parte BATCHSEP como su nombre indica es un modelo riguroso desarrollado para una

unidad que funciona en modo discontinuo por cargas.

Extracción de datos de equilibrio de sistemas binarios

DIAGRAMA BINARIO

Abrimos aspen en una sesión en blanco (blank simulation).

1º) Aspen necesita de que algún bloque esté definido para poder trabajar con los

componentes. Lo más sencillo es un destilador tipo Flash2. Se coloca el bloque con las

corrientes y nombres (L0, L y V).

2º) Definir las características:

‐ Poner título (flash binario) y definir unidades personalizadas en specifications (US‐1).

‐ Definir las unidades en unit sets (new).

‐ Activar en Report options en la pestaña stream la opción mole para fraction basis

‐ En componentes incluir los dos componentes (Agua y etanol).

‐ En properties seleccionar COMMON y IDEAL como método base de cálculo.

‐ En stream y en la ficha L0 rellenar 1 atm, 85ºC y 100 mol/hr con una composición 0,35 ETOH y

0,65 de Agua en mol‐frac.

‐ En blocks y en la ficha flash escribir 85ºC y 0,9 atm (flash isotermo)

3º) Correr una primera simulación para comprobar que todo está bien. (no errors no warnings)

En estas condiciones no habrá evaporación (V=0) por lo que hay que bajar la presión o subir la

temperatura. Probar con P= 0,8 atm. La descompresión producirá la evaporación.

4º) Si se quiere que los datos aparezcan en la hoja ir a resultados y pulsar Stream table.

5º) Para imprimir (todo: en el botón de la barra de herramientas; una parte: en view, page

break preview y manipular ) o guardar...

6º) Analizar la sensibilidad del sistema ante las variables: P y T del flash, T y P de la entrada

(TFLASH, PFLASH, TENT, PENT y valores objetivo XEtOH en V). Ir al Data browser a Model

analisis tools. Crear un nuevo análisis llamado TFLASH y definir la función objetivo llamada

PURETOH como (edit) como variable Mole‐Frac en V de ETOH. Ir a Vary y añadir como variable

Block Var del bloque FLASH y TEMP. Se selecciona un rango entre 85 y 100ºC a intervalos de

0,5 grados. Por último en Tabulate se indica como columna 1 la variable PURETOH. También

podemos definir CANTVAPO como Stream var, mole flow en V. (abrir el archivo terminado para

que vean varias). En la carpeta azul de resultados Model Analysis tools se muestra la tabla en

la que vemos que entre 85 y 88,5ºC se evapora una fracción molar de ETOH descendente.

Podemos ver la evolución gráfica en el icono correspondiente. Este es un análisis preliminar. Se

puede hacer lo mismo para la PFLASH.

7º) Cambiar de modelo termodinámico y comentar que es la parte más importante (mostrar la

ayuda a la selección del modelo). Usar el modelo WILSON (gases ideales y ley de Henry y

líquidos NO ideales, sin que se cumpla la ley de Raoult) y comprobar cómo se vaporiza todo.

También pasa lo mismo con el modelo de NRTL. Comentar la importancia de elegir bien el

modelo termodinámico (Ayuda en línea en Tools, Property method assistant. Para este caso se

recomienda el ELECNRTL) . Volver al modelo ideal y correr la simulación.

8º). Ahora vamos a sacar los diagramas termodinámicos y de equilibrio de esta mezcla. Ir a

Tools, Analysis, property y binary y elegir el tipo de análisis (Txy, Pxy y Gibbs) y las condiciones

y darle a GO. Repetir el análisis cambiando el modelo a WILSON y discutir la diferencia. Genera

el gráfico y una pestaña con la tabla de datos que podemos exportar al excel simplemente

seleccionando las columnas y con copiar y pegar. Si le damos a plot wizard en la pestaña de

datos podemos elegir más tipos de gráficos con estos datos. Generar Txy, YX, zoom YX, gamma

(coef. actividad), KVL (coef. reparto), mover leyendas, Txy por rango de presiones. Pasar a

modelizar Pxy, Pxy en funcion de T y Gibbs y Gibbs en función de T. Podemos añadir más de un

componente a la misma gráfica con add to plot.

Temperature (C)

Pressure (atm)

Molar Flow Rate (mol/hr)

Vapor Fraction

FLASH

85,00

1,0

100,00

0,00

L0

85,00

0,8

16,66

1,00

V

85,00

0,8

83,34

0,00

L

Flash binario etanol agua

Stream ID L L0 V

From FLASH FLASH

To FLASH

Phase LIQUID LIQUID VAPOR

Substream: MIXED

Mole Flow mol/hr

AGUA 56.88849 65.00000 8.111512

ETANOL 26.44757 35.00000 8.552431

Mole Frac

AGUA .6826395 .6500000 .4867703

ETANOL .3173605 .3500000 .5132297

Total Flow mol/hr 83.33606 100.0000 16.66394

Total Flow kg/hr 2.243276 2.783410 .5401334

Total Flow cum/sec 7.69228E-7 9.63124E-7 1.70044E-4

Temperature C 85.00000 85.00000 85.00000

Pressure atm .8000000 1.000000 .8000000

Vapor Frac 0.0 0.0 1.000000

Liquid Frac 1.000000 1.000000 0.0

Solid Frac 0.0 0.0 0.0

Enthalpy J/kmol -2.7744E+8 -2.7704E+8 -2.3515E+8

Enthalpy J/kg -1.0307E+7 -9.9534E+6 -7.2547E+6

Enthalpy Watt -6422.428 -7695.682 -1088.477

Entropy J/kmol-K -1.9885E+5 -2.0428E+5 -1.1989E+5

Entropy J/kg-K -7386.998 -7339.307 -3698.872

Density kmol/cum 30.09369 28.84132 .0272216

Density kg/cum 810.0749 802.7722 .8823435

Average MW 26.91843 27.83410 32.41330

Liq Vol 60F cum/sec 7.12601E-7 8.91471E-7 1.78870E-7

Gamma for WATER/ETOH

Liquid Molefrac WATER

Liq

uid

Ga

mm

a

0,0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

WATER 1,0 atm

ETOH 1,0 atm

Consejo: pegar las gráficas como imagen para no tener problemas en excel. Hacer las

modificaciones en Aspen (zoom , rangos, leyendas, etc...) con properties antes de pegar.

9º) Volvemos a poner el modelo IDEAL y simulamos. También podemos sacar propiedades

concretas de los componentes puros en Tools, Analysis, Property y pure. Seleccionamos el

análisis termodinámico, CP en J/Kmol K, ambos componentes en fase vapor y líquido, entre 0 y

500ºC. Se pueden exportar los datos numéricos o la representación. ¿Qué ocurre a 241 y

372ºC para cada uno? Se alcanza el punto crítico y no hay líquido posible.

10º) Guardamos el archivo con el nombre Flash binario Etanol‐agua u otro similar en una

nueva carpeta en nuestro pendrive.

Extracción de datos de equilibrio de sistemas ternarios

DIAGRAMA TERNARIO

1º) Hacemos un nuevo archivo del mismo tipo (incluso se puede aprovechar éste si se cambia

el nombre y se cambian los datos de condiciones y componentes).

2º) Los nuevos componentes serán los del sistema ternario Aire: O2, N2 y Ar. Vamos a obtener

el diagrama ternario de la curva de residuo. Composición molar del 0,205, 0,79 y 0,05

respectivamente y 100 mol/h de entrada a ‐200ºC y 1 atm. En el flash imponemos 2 atm y

185ºC bajo cero. El modelo termodinámico será IDEAL. Simular explicando la diferencia entre

hacerlo desde cero o desde otra simulación.

3º) Se pueden hacer los mismos análisis de sensibilidad que antes para T y P del flash para ver

como varían la fracción molar de N2, O2 y Ar en V (PUREN2, PUREO2, PUREAR). Variamos la

presión entre 1,75 y 2,75 a intervalos de 0,1 atm y la temperatura entre ‐184 y ‐188 ºC a

incrementos de 0,2 ºC. Se puede incluso localizar la zona de mayor separación O2‐Ar

tabulando PUREAR/PUREO2. Como se ve sube la diferencia al subir la presión hasta 2,55 atm

donde ya no hay separación.

4º) Para obtener los diagramas ternarios se va a tools, analysis, property y residue y se obtiene

la curva de residuos que equivale a las mezclas que se pueden obtener en una destilación

cerrada (batch cerrado) de la mezcla ternaria. Luego vamos a tools, conceptual design, ternary

maps (clicar residue curve o distilation curve) y en el árbol de carpetas dar UNA SOLA VEZ a

CP vs Temperature

Temperature C

CP

kca

l/mol

-K

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0350,0360,0370,0380,0390,0400,0410,0420,0430,0440,0450,0460,0470,0480,0490,0500,0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

VAPOR ETANOL

VAPOR AGUA

LIQUID ETANOL

LIQUID AGUA

ternary plot. Se genera un plot y en él se pueden pintar las curvas que uno quiera. Con el

cursor se tiene acceso a la información de cada punto en la esquina superior derecha.

Hacer: Zoom, poner puntos, líneas, cambiar tipos de letras, colores. Se puede exportar o

imprimir.

5º) En conceptual design, ternary maps también se puede comprobar si hay azeótropos

(report). No aparecen porque obviamente si el método es ideal no puede haber azeótropos.

Temper atur e ( C)

Pr es s ure (a tm)

Molar Flow Rate (m ol/hr )

Vapor Fr ac tion

FLASH

-200,00

1,0

100,00

0,00

L0

-185,00

2,0

91,54

1,00

V

-185,00

2,0

8,46

0,00

L

Flas h b inar io Aire (O 2, N 2 y Ar )

Str eam ID L L0 V

Fr om FLASH FLASH

To FLASH

Phas e LIQ UID LIQ UID VAPOR

Subs tr eam: MIXED

Mole Flow mol/hr

O2 3 .837830 20.50000 16.66217

N2 4 .549056 79.00000 74.45094

AR .0721934 .5000000 .4278065

Mole Fr ac

O2 .4536936 .2050000 .1820188

N2 .5377720 .7900000 .8133078

AR 8.53444E- 35.00000E- 34.67339E- 3

Tota l Flow mol/hr 8 .459079 100.0000 91.54092

Tota l Flow k g/hr .2531248 2 .889014 2 .635890

Tota l Flow c um/s ec7.66292E- 88.97937E- 79.19636E- 5

Temper atur e C - 185.0000 - 200.0000 - 185.0000

Pr es s ure atm 2.000000 1 .000000 2 .000000

Vapor Fr ac 0 .0 0 .0 1 .000000

Liqu id Fr ac 1 .000000 1 .000000 0 .0

Solid Fr ac 0 .0 0 .0 0 .0

Enthalpy J /k m ol - 1.2022E+7- 1.2584E+7- 6.1061E+6

Enthalpy J /k g - 4.0176E+5- 4.3559E+5- 2.1206E+5

Enthalpy W att - 28.24893 - 349.5598 - 155.2667

Entr opy J /k m ol- K- 1.0059E+5- 1.1164E+5 - 37006.01

Entr opy J /k g- K - 3361.651 - 3864.130 - 1285.169

Dens i ty k mol /c um 30.66382 30.93512 .2765012

Dens i ty k g/c um 917.5674 893.7200 7 .961758

Av er age MW 29.92345 28.89014 28.79466

Liq Vol 60F c um/s ec1.25847E- 71.48772E- 61.36187E- 6

Mezcla multicomponentes y azeótropos

INFORMACIÓN EN MEZCLAS MULTICOMPONENTE

1º) Ahora tenemos una mezcla ternaria no ideal en el líquido de 2‐etoxietanol, n‐octano y

etilbenceno. Usaremos el modelo de UNIQUAC (ideal sólo en el gas). Introducimos los

componentes en una proporción de 0,2; 0,55 y 0,25 a 100ºC y 5 atm. En la unidad flash

consignaremos 117ºC y 0,9 atm.

2º) En estas condiciones conseguimos una separación bastante mala de los componentes.

Habría que seguir probando hasta mejorarla. Se puede hacer el análisis de sensibilidad de la

composición de V (XOCTANO, XETILBEN y XETETOH) la temperatura y la presión de la unidad

flash (TFLASH y PFLASH entre 116,8 a 119,4 y 0,84 a 0,91 a intervalos de respectivamente de

0,1 ºC y 0,005 atm) para localizar los mejores valores. Pero antes es mejor hacer un análisis de

azeótropos.

3º) En el menú tools, conceptual desing, azeotropos search, se seleccionan los tres

componentes y se le dá a report. Aparecen dos azeótropos. Uno inestable y otro de silla.

4º) Ahora cambiaremos al sistema cloroformo, acetona y metanol (V‐L‐L) vamos a ver un

azeótropo ternario. Usaremos de nuevo el modelo UNIQUAC. Introducimos los componentes

en una proporción de 0,4; 0,3 y 0,3 molar a 100ºC y 1 atm. En la unidad flash consignaremos

52ºC y 0,8 atm.

Temper atur e ( C)

Pr es s ure (atm)


Vapor Fr ac tion

FLASH

100,00

5,0

100,00

0,00

L0

117,00

0,9

10,10

1,00

V

117,00

0,9

89,90

0,00

L

Flas h TERNAR IO NO IDEAL

Str eam ID L L0 V

Fr om FLASH FLASH

To FLASH


Subs tr eam: MIXED

Mo le Flow mol/hr

OCTAN O 49 ,66615 55 ,00000 5 ,333854

ETBENCEN 23 ,18636 25 ,00000 1 ,813638

2-ETETO H 17 ,05138 20 ,00000 2 ,948619

Mole Fr ac

OCTAN O ,5524360 ,5500000 ,5283078

ETBENCEN ,2579017 ,2500000 ,1796373

2-ETETO H ,1896623 ,2000000 ,2920549

Total Flow mol/hr 89 ,90389 100,0000 10,09611

Total Flow k g/hr 9,671753 10 ,73933 1 ,067576

Total Flow c um/s ec 3,94341E- 6 4,26937E- 6 9,97588E- 5

Temper a tur e C 117,0000 100,0000 117,0000

Pr es s ure atm ,9000000 5,000000 ,9000000

Vapor Fr ac 0,0 0 ,0 1 ,000000

Liquid Fr ac 1,000000 1,000000 0,0

So lid Fr ac 0,0 0 ,0 0,0

Entha lpy J /k m ol - 2,0265E+8 - 2,1128E+8 - 2 ,0535E+8

Entha lpy J /k g - 1,8837E+6 - 1,9673E+6 - 1 ,9420E+6

Entha lpy W att - 5060,749 - 5868,891 - 575,9016

Entr opy J /k m ol- K - 6,2923E+5 - 6,4211E+5 - 5 ,4318E+5

Entr opy J /k g- K - 5849,054 - 5979,043 - 5136,863

Dens i ty k mol /c um 6,332918 6,506293 ,0281125

Dens i ty k g/c um 681,2878 698,7323 2 ,972659

Av er age MW 107,5788 107,3933 105,7413

Liq Vo l 60F c um/s ec 3,48256E- 6 3,86384E- 6 3,81275E- 7

5º) Se

marg

323‐3

(VAPO

curva

sin ca

centr

como

6º) H

salen

empe

cond

e puede tam

gen muy estr

328 K con in

OR). Pero lo

as de residuo

ambiar nada

ral que debe

o esa zona "m

Haremos aho

n 4 azeótrop

ezamos a tr

iciones.

mbién repetir

recho de pre

ntervalos de

interesante

o de la mezc

clicamos Go

albergar "al

migra" hacia

ora el anális

pos: tres bin

rabajar. Con

r el análisis d

esión y temp

e 0,05 y 0.1

ahora es ver

cla ternaria.

o. Ya se obse

lgo". Si camb

la zona de m

is de azeótr

narios y uno

nviene por

de sensibilid

peratura en

1 respectivam

r los azeótro

Hacernos cl

erva que hay

biamos el an

mayor pureza

ropos: tools,

o de los te

lo tanto ha

dad, y se verá

el flash (PF

mente) para

opos de la me

ic en tools, a

y varias regio

nálisis y lo re

a del metano

conceptual

rnario muy

acer un aná

á que es com

LASH y TFLA

a calcular el

ezcla. Primer

analysis, pro

ones diferen

petimos a 2

ol.

desing, aze

cerca de la

lisis previo

mplicado y c

ASH 0,5‐1,5

caudal de

ro iremos a v

operty y resid

nciadas y una

y 5 atm, ver

eotropos sea

a zona en la

antes de p

on un

atm y

vapor

ver las

dues y

a zona

remos

arch, y

a que

probar

Temp (C) Classification Type No. Comp.

ACETONA CLOROFOR MEOH

64,61 Stable node Homogeneous 2 0,3409 0,6591 0,0000

57,46 Saddle Homogeneous 3 0,3110 0,2517 0,4372

55,24 Unstable Node

Homogeneous 2 0,7774 0,0000 0,2226

54,09 Unstable Node

Homogeneous 2 0,0000 0,6726 0,3274

A TENER EN CUENTA:

OJO: Elegir bien el modelo: tutorial en tools property method selection assistant. En la ayuda:

buscar en el índice property methods,available property methods y clicar el enlace Aspen User

Guide Chapter 7. Ahí tenemos toda la información relevante.

7º) ADEMÁS TENEMOS LA BASE DE DATOS DE NIST‐TDE PARA COMPONENTES. Extracción de

datos de componentes puros. Probar con el cloroformo.

Temper a tur e ( C)

Pr es s ure (atm)

Molar Flow Rate (m o l/hr )

Vapor Fr ac tion

FLASH

100,00

1,0

100,00

1,00

L0

52,00

0,8

63,85

1,00

V

52,00

0,8

36,15

0,00

L

Flas h TERNAR IO ACETON A CLO ROFO RMO AGU A

Str eam ID L L0 V

Fr om FLASH FLASH

To FLASH

Phas e LIQ UID VAPOR VAPOR

Subs tr eam: MIXED

Mole Flow mol /h r

ACETON A 11 .96321 30.00000 18 .03679

CLOR OFOR 15 .37601 40.00000 24 .62399

MEOH 8.811377 30.00000 21 .18862

Mole Fr ac

ACETON A .3309271 .3000000 .2824895

CLOR OFOR .4253320 .4000000 .3856574

MEOH .2437408 .3000000 .3318531

Tota l Flow mol /h r 36 .15060 100.0000 63 .84940

Tota l Flow k g/hr 2.812702 7 .478748 4.666046

Tota l Flow c um/s ec 7.07271E- 7 8.50534E- 4 5.91506E- 4

Temper atur e C 52 .00000 100.0000 52 .00000

Pr es s ure atm .8000000 1 .000000 .8000000

Vapor Fr ac 0.0 1 .000000 1.000000

Liqu id Fr ac 1.000000 0 .0 0.0

So lid Fr ac 0.0 0 .0 0.0

Enthalpy J /k m ol - 1.9439E+8 - 1 .6121E+8 - 1.6561E+8

Enthalpy J /k g - 2.4984E+6 - 2 .1555E+6 - 2.2662E+6

Enthalpy W att - 1952.017 - 4477.985 - 2937.321

Entr opy J /k m ol- K - 2.3175E+5 - 1 .2385E+5 - 1.3010E+5

Entr opy J /k g- K - 2978.548 - 1656.049 - 1780.217

Dens i ty k mol/c um 14 .19799 .0326592 .0299844

Dens i ty k g /c um 1104.677 2 .442501 2.191229

Av er age MW 77 .80512 74.78748 73 .07893

Liq Vo l 60F c um/s ec 6.88466E- 7 1.84725E- 6 1.15879E- 6

Ternary Map (Mole Basis)

MEOH(64,53 C)

ACETONA(56,14 C)

CLOROFOR (61,10 C)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

64,61 C

57,46 C

55,24 C

54,09 C

8º) Otra información útil que se puede extraer es la referente a las mezcla de las corrientes del

sistema. Seleccionamos la corriente de vapor V y en tools, analysis, stream y point y se

obtienen propiedades termodinámicas y de transporte. También se puede seleccionar un

análisis de curva T‐V entre 51,5 y 52,5 ºC para 100 puntos.

9º) Podemos ampliar la información de la tabla de corrientes con cualquier propiedad que

queramos definiéndola en Prop set dentro de Properties en el data browser. Creamos REO‐L

(para hacer referencia a características reológicas de la corriente L) y adjuntamos la densidad

(rhomx) y la viscosidad (mumx) de la mezcla. En la pestaña de Qualifiers, seleccionamos la fase

líquida.

Luego vamos a set up, report options, stream y añadimos Prop Set REO‐L. Y le damos a simular

y nos aparecerán estos datos en la tabla de corrientes.

TV Curve Stream: V

Temperature C

Tot

al V

fra

c

51,5 51,55 51,6 51,65 51,7 51,75 51,8 51,85 51,9 51,95 52,0 52,05 52,1 52,15 52,2 52,25 52,3 52,35 52,4 52,45 52,5

0,0

50

,10

,15

0,2

0,2

50

,30

,35

0,4

0,4

50

,50

,55

0,6

0,6

50

,70

,75

0,8

0,8

50

,90

,95

1,0

Total Vfra

Obte

1º) A

deter

MPa

respe

El mo

camb

Vamo

0. Est

Simu

phase

volat

de ro

2º)

(110º

Flash

nción del pu

Ahora partire

rminar sus p

y un flujo

ectivamente.

odelo termo

biamos ningu

os a poner ta

to nos dará e

lamos y vam

e equilibrium

ilidad (Ki). Si

ocío del mism

Podemos ll

ºC)sustituyen

lo que sigue

unto de rocío

emos de la

untos de roc

total de 5

. Es convenie

odinámico se

una variable

anto en la al

el punto de b

mos a resulta

m encontram

i cambiamos

mo modo y re

levar el sis

ndo el dato d

e, y obtenem

o y de burbuj

mezcla etan

cío y burbuja

1 mol/h qu

ente persona

erá el IDEAL

e respecto a

imentación

burbuja.

ados del bloq

mos el repart

s la fracción

esulta de 133

stema a u

de fracción d

mos el dato d

ja de una me

no, propano

a. Configurar

ue se repar

alizar las unid

y las condic

a la entrada

(L0) como en

que FLASH o

o entre fase

de vapor a 1

3,14ºC.

un punto i

de vapor. En

de la fracción

ezcla multico

o, n‐butano,

remos el sist

rte en 1,5,

dades (dejam

ciones del FL

(T y P) no

n el equipo f

obtenemos 8

es de los com

1 (todo vapo

ntermedio

n ese caso se

n de vapor y e

omponente

n‐pentano

tema con un

10, 18,5, 1

mos P en atm

LASH será de

habrá camb

flash una fra

89,24ºC adem

mponentes y

r) podremos

entre amb

obtiene en

el calor nece

y n‐hexano

na entrada de

17,5 y 3,5

m).

e 1,72 MPa.

bios en la m

cción de vap

más en la pe

las constant

s calcular el

bas tempera

los resultad

esario.

o para

e 1,72

mol/h

Si no

mezcla.

por de

estaña

tes de

punto

aturas

os del

3º) Hacemos un análisis de sensibilidad en el que definamos como variables objetivo XC2, XC3,

XC4, XC5 y XC6 como la fracción molar (mole‐Frac) de cada componente en la corriente V.

Tabulamos sus valores y variamos la presión en el Flash (PFLASH) entre 10 y 20 atm a

intervalos de 0,5 atm y simulamos.

Buscamos con ello, por ejemplo, cual es la mayor concentración de butano que podemos tener

en el vapor (la obtenemos sobre 14 atm como se ve en la siguiente gráfica) o la presión a la

que c3 pasa a ser mayoritario (17 atm).

Ahora desactivamos el análisis de sensibilidad y volvemos al caso bajamos la presión a 12 atm

en el Flash y ponemos la temperatura tanto en la corriente de L0 como en el flash a 110ºC. En

principio está en forma de vapor un 83,57% de la entrada como vapor en V (resultados en el

flash).

Sensitivity Results Curve

VARY 1 FLASH PARAM PRES ATM

XC

6

XC

5

XC

4

XC

3

XC

2

10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0

0,0

15

0,0

20

,02

50

,03

0,0

35

0,0

40

,04

50

,05

0,0

55

0,0

60

,06

50

,07

0,1

20

,14

50

,17

0,1

95

0,2

20

,24

50

,27

0,2

95

0,3

20

,34

50

,3

0,3

35

0,3

40

,34

50

,35

0,3

55

0,3

60

,36

50

,37

0,3

75

0,3

80

,38

50

,39

0,3

95

0,4

0,1

80

,20

50

,23

0,2

55

0,2

80

,30

50

,33

0,3

55

0,3

80

,40

50

,4

0,0

30

,04

0,0

50

,06

0,0

70

,08

0,0

90

,10

,11

XC2

XC3

XC4

XC5

XC6

Temper atur e ( C)

Pr es s ure (a tm)


Vapor Fr ac tion

FLASH

110,00

12,0

51,00

0,84

L0

110,00

12,0

42,62

1,00

V

110,00

12,0

8,38

0,00

L

Sis tema C 2-nC 6

Str eam ID L L0 V

Fr om FLASH FLASH

To FLASH

Phas e LIQ UID MIXED VAPOR

Subs tr eam: MIXED

Mole Flow mol /hr

C2 .0208293 1 .500000 1 .479172

C3 .4348172 10.00000 9 .565189

NC4 2 .117385 18.50000 16.38262

NC5 4 .287591 17.50000 13.21240

NC6 1 .516261 3 .500000 1 .983734

Mole Fr ac

C2 2.48653E- 3 .0294117 .0347035

C3 .0519068 .1960784 .2244132

NC4 .2527652 .3627451 .3843600

NC5 .5118360 .3431373 .3099821

NC6 .1810054 .0686274 .0465412

Tota l Flow mol /hr 8 .376884 51.00000 42.62312

Tota l Flow k g/hr .5828878 3 .125603 2 .542714

Tota l Flow c um/s ec 3.16597E- 7 3.13365E- 5 3.10199E- 5

Temper atur e C 110.0000 110.0000 110.0000

Pr es s ure atm 12.00000 12.00000 12.00000

Vapor Fr ac 0 .0 .8357474 1 .000000

Liqu id Fr ac 1 .000000 .1642526 0 .0

Solid Fr ac 0 .0 0.0 0 .0

Entha lpy J /k m ol - 1 .5036E+8 - 1.2379E+8 - 1.1856E+8

Entha lpy J /k g - 2.1609E+6 - 2.0198E+6 - 1.9874E+6

Entha lpy W att - 349.8782 - 1753.620 - 1403.742

Entr opy J /k m ol- K - 4.6956E+5 - 3.7670E+5 - 3.5845E+5

Entr opy J /k g- K - 6748.186 - 6146.586 - 6008.677

Dens i ty k mol /c um 7 .349765 .4520815 .3816821

Dens i ty k g/c um 511.4180 27.70641 22.76953

Av er age MW 69.58290 61.28632 59.65576

Liq Vol 60F c um/s ec 2.61047E- 7 1.47373E- 6 1.21268E- 6

3º) El trabajo de ir probando valores o de analizar la sensibilidad es útil al principio, pero

cuando los sistemas son complejos es mejor optar por fijar una condición y dejar que la

simulación encuentre cómo obtenerla.

Desactivamos el análisis de sensibilidad y si vamos a Flowsheet options dentro de Design

specification podemos crear un análisis de especificación (XC5), que será que queremos que la

fracción molar de c5 sea 0,25 con una tolerancia de 0,05 (Spec XC5, Target 0,25, tolerance

0,05) y variaremos para ello la presión en el flash (entre 11 y 24) y simulamos.

Si se va resultados summary convergence, o en los resultados en el bloque flash, se obtiene

XC5=0,2501 a una de 14,065 atm. Incluso en convergence solver historic podemos ver la

iteraciones y observar que no hay nada raro.

DESTILACIÓN TIPO FLASH ADIABÁTICA E ISOTERMA

1º) Construir un destilador flash con la mezcla de 100 mol/h de propano, n‐butano, n‐pentano

y n‐hexano en proporciones 10%, 20%, 30% y 40% respectivamente que entra a una presión

de 8,25 atm y 65,5ºC en una unidad flash que trabaja a 93,5ºC y 7 atm. Aunque puede que no

sea el más adecuado, vamos a imponer e modelo IDEAL. Simulamos y vemos los resultados en

la unidad FLASH. La partición de c4 y c5 (expresada como K) es mejorable en estas condiciones.

Creamos un análisis de sensibilidad PFLASH con las fracciones molares XC3 a XC6 y lo hacemos

variar respecto a la presión del Flash (3‐10 atm a intervalos de 0,5 atm) y simulamos. El análisis

de sensibilidad indiaca que a partir de 8,5 atm ya no hay vapor y por debajo de 3,5 todo es

vapor. Además el gráfico de los resultados permite definir las mejores zonas para enriquecer el

vapor en c5 (4‐4,5 atm) o c4 (6,5‐7 atm).

Si entramos en resultados de la unidad flash indica el intercambio calorífico necesario para

mantener la isotermicidad es de 250,78 W.


VARY 1 FLASH PARAM PRES ATM

XC

6

XC

5

XC

4

XC

3

3,0 3,25 3,5 3,75 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 5,25 5,5 5,75 6,0 6,25 6,5 6,75 7,0 7,25 7,5 7,75 8,0 8,25 8,5 8,75 9,0 9,25 9,5 9,75 10,0

0,12

50,

175

0,22

50,

275

0,32

50,

375

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0,32

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0,32

0,34

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4 XC3

XC4

XC5

XC6

Temper atur e ( C)

Pr es s ure (atm)

Mola r Flow Rate (m ol/hr )

Vapor Fr ac tion

FLASH

65,50

8,2

100,00

0,00

L0

93,50

7,0

17,29

1,00

V

93,50

7,0

82,71

0,00

L

Flas h Is o tér mic o C3- nC6

Str eam ID L L0 V

Fr om FLASH FLASH

To FLASH


Subs tr eam: MIXED

Mole Flow mol/hr

C3 4.597364 10.00000 5.402636

NC4 14.32702 20.00000 5.672977

NC5 26.07951 30.00000 3.920486

NC6 37.70744 40.00000 2.292557

Mole Fr ac

C3 .0555832 .1000000 .3124960

NC4 .1732171 .2000000 .3281329

NC5 .3153076 .3000000 .2267664

NC6 .4558920 .4000000 .1326047

Tota l Flow mol/hr 82.71134 100.0000 17 .28866

Tota l Flow k g/hr 6.166628 7 .215028 1.048400

Tota l Flow c um/s ec 3.09972E- 6 3 .47142E- 6 2.06406E- 5

Temper a tur e C 93.50000 65.50000 93 .50000

Pr es s ure atm 7.000000 8 .250000 7.000000

Vapor Fr ac 0.0 0 .0 1.000000

L iqu id Fr ac 1.000000 1 .000000 0.0

Solid Fr ac 0.0 0 .0 0.0

Enthalpy J /k m ol - 1.6287E+8 - 1 .6481E+8 - 1.2184E+8

Enthalpy J /k g - 2.1846E+6 - 2 .2842E+6 - 2.0091E+6

Enthalpy W att - 3742 .103 - 4577.987 - 585.1014

Entr opy J /k m ol- K - 5.1441E+5 - 5 .1327E+5 - 3.6565E+5

Entr opy J /k g- K - 6899 .605 - 7113.921 - 6029 .826

Dens i ty k mol /c um 7.412071 8 .001844 .2326675

Dens i ty k g/c um 552 .6144 577.3353 14 .10918

Av er age MW 74.55601 72.15028 60 .64094

L iq Vo l 60F c um/s ec 2.70193E- 6 3 .19759E- 6 4.95664E- 7

2º) Si queremos que este sistema funcione de modo adiabático sólo hay que cambiar un par de

cosas. Primero colocar una válvula adiabática (en la sección de pressure charger) antes del

flash para bajar la presión hasta las 7 atmósferas. Sino no será justificable el cambio de presión

entre la corriente de entrada y el flash. Segundo seleccionar la condición de heat duty =0 en el

flash para que sea adiabático y mantener 7 atm de presión. Hay que poner la temperatura de

la entrada a 65,5ºC. Simulamos y vemos los resultados de las corrientes en el resumen

(summary, stream) y vemos que no hay vapor (V=0).

Si vamos al bloque de resultados del flash veremos que la temperatura es 65,5ºC pues al no

haber intercambio de calor mantiene la de la entrada y la bajada de presión por sí no es

suficiente para que se evapore la mezcla, luego hay que subir la temperatura de la

alimentación o bajar la presión. ¿cuánto?

Modificaremos la temperatura con un análisis de sensibilidad de la cantidad de vapor (VAPOR)

TALIMEN entre 65 y 150ºC a intervalos de 5ºC y veremos su efecto sobre el caudal de vapor

(stream, V, mole flow). En los resultados de la simulación veremos como el vapor no aparece

hasta más de 80ºC y es máximo a menos de 130ºC. Afinamos realizando de nuevo el análisis de

sensibilidad entre 80 y 130ºC pero a intervalos de 1ºC. A esa presión (7 atm) el intervalo podría

estar entre 81‐128ºC. Trabajar con un adiabático nos impone fijar una temperatura de

entrada en un dispositivo externo (válvula).


VARY 1 L0 MIXED TEMPERAT URE C

VA

PO

R M

OL

/HR

65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 120,0 125,0 130,0

5,0

10

,01

5,0

20

,02

5,0

30

,03

5,0

40

,04

5,0

50

,05

5,0

60

,06

5,0

70

,07

5,0

80

,08

5,0

90

,09

5,0

10

0,0

VAPOR MOL/HR

HOMEWORK:

1º) Averiguar usando destiladores tipo flash isotérmicos qué rango de condiciones de presión y

temperatura permite separar el 85% del benceno en el vapor de una mezcla benceno‐tolueno

en proporción molar 1:5. Dibujar "plots" de sensibilidad.

2º) Obtener el diagrama ternario de la mezcla nc5‐nc6‐nc7 a 15 atm usando el método PENG‐

ROBINSON.

3º) Obtener los puntos de rocío y de burbuja a 7,2 atm de una mezcla equimolecular de NH3 y

agua usando el modelo WILSON.

4º) Obtener el diagrama ternario con azeótropos de la mezcla equimolar MeOH‐Acetona‐

hexano.

Temperature (C)

Pressure (atm)


Vapor Fraction

FLASH

115,00

8,2

100,00

0,47

L0

109,27

7,0

52,86

1,00

V

109,27

7,0

47,14

0,00

L

Flash Isotérmico C3-nC6

Stream ID L L0 V

From FLASH FLASH

To VALVE

Phase LIQUID MIXED VAPOR

Substream: MIXED

Mole Flow mol/hr

C3 1.085332 10.00000 8.914668

NC4 5.149754 20.00000 14.85025

NC5 13.97763 30.00000 16.02237

NC6 26.92306 40.00000 13.07694

Mole Frac

C3 .0230256 .1000000 .1686333

NC4 .1092536 .2000000 .2809129

NC5 .2965397 .3000000 .3030854

NC6 .5711810 .4000000 .2473684

Total Flow mol/hr 47.13577 100.0000 52.86423

Total Flow kg/hr 3.675823 7.215028 3.539205

Total Flow cum/sec 1.87375E-6 5.27807E-5 6.58275E-5

Temperature C 109.2651 115.0000 109.2651

Pressure atm 7.000000 8.250000 7.000000

Vapor Frac 0.0 .4724184 1.000000

Liquid Frac 1.000000 .5275816 0.0

Solid Frac 0.0 0.0 0.0

Enthalpy J/kmol -1.6519E+8 -1.4569E+8 -1.2830E+8

Enthalpy J/kg -2.1183E+6 -2.0192E+6 -1.9163E+6

Enthalpy Watt -2162.906 -4046.917 -1883.986

Entropy J/kmol-K -5.3080E+5 -4.6293E+5 -4.0093E+5

Entropy J/kg-K -6806.497 -6416.203 -5988.534

Density kmol/cum 6.987722 .5262870 .2230757

Density kg/cum 544.9286 37.97175 14.93469

Average MW 77.98372 72.15028 66.94896

Liq Vol 60F cum/sec 1.58739E-6 3.19759E-6 1.61020E-6

VALVE

109,27

7,0

100,00

0,53

I

SESIÓN 3

Objetivo

Utilizar los modelos simplificados de rectificación del ASPEN PLUS.

Resolver problemas tipo:

‐ Estimación del NPT mínimo a partir del BM resuelto de una columna en una mezcla binaria o

asimilable a tal por el modelo WUG (clave ligera‐clave pesada) que es modificación del FUG.

‐ Optimización del número de etapas y de la posición del plato de alimentación.

Representación de la relación NPT vs L/D y datos de T, P y fracción de vapor en cada corriente

y en el calderín y condensador.

‐ Calcular la altura equivalente de plato teórico en caso de utilizar una columna empacada.

MODELO DSTWU

El modelo DSTWU es un modelo simplificado de caja negra que se utiliza en columna única.

El modelo DSTWU opera bajo el método de cálculo de fracción ligera y fracción pesada de

Winn‐Underwood‐Gilligand (Winn es una mejora de la ecuación de Fenske´s) por lo que es

válido no sólo para mezclas binarias, sino para mezclas que se asemejan en su

comportamiento a una mezcla binaria como es el caso de considerar grupos de componentes

de clave ligera y pesada.

El modelo resuelve la columna bajo la premisa de imponer la condición de reflujo total para

obtener el número de platos teóricos mínimos. Después calcula el valor de reflujo mínimo y

posteriormente el número de platos óptimo y el reflujo que le corresponde (se verá en clase

de teoría).

Adicionalmente a tener resuelto de antemano el balance macroscópico de materia de la

columna (F, D, W y XF, XD y XW) el modelo necesita un par de datos más: presión en

condensador y calderín y, por otra parte, un dato para comenzar la optimización (NPT o

relación de reflujo inicial).

Es la mejor opción para mezclas binarias o asimilables a binarias (clave ligera‐clave pesada)

donde sólo se pretenda optimizar el rendimiento de destilación en base al número de platos y

la relación de reflujo. Permite optimizar la colocación del plato de alimentación y calcular los

requerimientos de calor en el condensador y el calderín. Su campo de aplicación es el refino y

optimización de la solución obtenida por métodos aproximados como el McCabe‐Thiele y

Sorel‐Lewis.

Puede generar diagramas y tablas L/V vs NPT.

Permiten incorporar una separación de agua en el condensador de cabeza y realizar cálculos

free‐water.

‐ Limitaciones:

Sólo admite una alimentación y dos corrientes de salida (cabeza y cola) aunque el condensador

de cabeza puede ser total o parcial.

Sólo admite dos componentes o grupos de componentes asimilables a componentes

individuales.

1º) Vamos a realizar una separación binaria clásica etanol‐agua por debajo del azeótropo (para

evitar tener que usar un modelo más complejo). Partiremos de una mezcla de 100 mol/h con

un 20% en moles de EtOH a 83,16ºC y en forma líquida (Vapor fraction =0). Usaremos el

método de propiedades de WILSON para obtener un destilado con un 80% en moles de EtOH y

un producto de cola con un 0,5 % en moles de EtOH.

2º) Definiremos una columna tipo DSTWU en la que impondremos una relación de reflujo

externa (L/D) de 2 veces el mínimo (en Aspen la proporcionalidad se expresa como un signo

menos y el valor de la misma resulta ‐2). Con el balance de materia resuelto podemos

especificar una recuperación del EtOH en el condensador del 0,9812=(0,8*24.53/0.2*100)

respecto a la alimentación y una recuperación de agua de 0,061325=(0.2*24.53/0.8*100) en el

mismo sitio respecto a la alimentación.

BM GLOBAL F = D +W 100 = D + W D = 24,53 mol/h

BM ETOH F Xf= D Xd + W Xw 100*0.2 = D*0,8 + W * 0,005 W = 75,47 mol/h

En el método FUG (y su modificación WUG del ASPEN plus) hay que determinar la presión del

condensador y del calderín. A efectos prácticos en esta primera ocasión vamos a suponerlos.

A partir del cálculo del punto de burbuja y de rocío de las corrientes se determina la presión y

se elige el condensador total o parcial.

3º) Como ya hemos dicho supondremos 0,9 atm en el condensador y 1,1 en el calderín

(aunque podrían ser incluso más pequeñas y de hecho la diferencia es muy elevada 0,2

atm=2,94 psi y lo normal es una caída de unos 0,1 psi por plato, por lo que una columna de 20

platos tendría una caída de unos 2 psi) y simulamos de todos modos. En el bloque de

resultados de la columna tendremos:

de donde se obtiene el valor del reflujo mínimo de 1,092 (de la ecuación de Winn), el número

de platos mínimo que es de 17 (16,87) y la ubicación del plato de alimentación (plato 22) de la

columna actual (de 25 platos). Como se puede observar en los datos de corrientes (stream

table) , se ha respetado el fraccionamiento impuesto casi exactamente (cuestión de decimales

en el cálculo).

A partir de aquí podemos ir cambiando cada condición del sistema para converger hacia donde

queramos.

Respecto a los valores de las corrientes, podemos observar cómo se han respetado y fijado las

proporciones de recuperación de los componentes clave.

4º) Haremos un análisis de sensibilidad cómo las condiciones de la alimentación influyen en el

calor suministrado al calderín (QCALD). Definimos los análisis de sensibilidad FVAPFR y FTEMP

y dentro de ellos definimos la variable dependiente QCALD (Block var, DSTWU, REB‐DUTY) y la

RECTIFICACIÓN ETANOL-AGUA

Stream ID D F W

From DSTWU DSTWU

To DSTWU

Phase LIQUID LIQUID LIQUID

Substream: MIXED

Mole Flow mol/hr

ETOH 19.62400 20.00000 .3760000

AGUA 4.906000 80.00000 75.09400

Mole Frac

ETOH .8000000 .2000000 4.98211E-3

AGUA .2000000 .8000000 .9950179

tabulamos. Variamos en un caso VFRAC (stream‐var, F, VFRAC) entre 0 y 1 con intervalo de

0,05 y en el otro caso TEMP (stream‐var, F, TEMP) entre 60 y 100ºC con intervalo de 1ºC. Y

simulamos.

En el caso de la dependencia con la fracción de vapor, cuanto mayor es la fracción de vapor,

mayor cantidad de calor es necesaria en el calderín para obtener la misma separación con los

mismos platos.

Sin embargo, para la temperatura de la entrada hay un mínimo de calor a una temperatura

cercana a 79ºC.

IMPORTANTE: Los análisis de sensibilidad se hacen respecto a las condiciones de la unidad

aunque sin modificar el resto. Cuando variamos un parámetro, vemos la respuesta con el

resto fijados. Se puede hacer un análisis de sensibilidad conjunto de más variables

modificándose al mismo tiempo y se obtienen las tablas de resultados, pero las gráficas no

permiten representarlas. Se necesita un software que genere curvas 3D.

Se realiza un análisis conjunto de la influencia de la fracción de vapor y la temperatura de la

corriente de alimentación F (JUNTOS). La temperatura variará entre 60 y 100ºC a intervalos de

1ºC y la fracción de vapor de 0 a 1 a intervalos de 0,05.


VARY 1 F MIXED VAPOR FR ACTION

QC

ALD

1 W

AT

T

0,0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0

900,

095

0,0

1000

,010

50,0

1100

,011

50,0

1200

,012

50,0

1300

,013

50,0

1400

,014

50,0

1500

,0

QCALD1 WATT


VARY 1 F MIXED TEMPERAT URE C

QC

ALD

2 W

AT

T

60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0 76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0 90,0 92,0 94,0 96,0 98,0 100,0

891,

089

1,5

892,

089

2,5

893,

089

3,5

894,

089

4,5

QCALD2 WATT

5º) Una vez establecido el sistema podemos plantearnos si deseamos cambiar una

especificación de diseño, por ejemplo el % EtOH en el destilado a 0,90. Vamos a Flowsheet

option y design specification y definimos XETOH. Establecemos una tolerancia de 0,01 e

indicamos que queremos variar el reflujo mínimo entre 1,092 (mínimo actual) y 5 en pasos de

0,1 y simulamos y ERROR. No podemos establecer una especificación de diseño sobre este

valor pues en este modelo el balance de masa está resulto en base a estos datos de partida. En

el historial de convergencia se puede comprobar cómo variar la ratio de reflujo mínima no

afecta al cálculo de errores y por eso no puede converger.

Estos datos son inamovibles en la simulación de este modelo y no se pueden hacer

especificaciones o análisis de sensibilidad sobre ellos (en RADFRAC sí). EL BALANCE DE

MATERIA ES FIJO EN ESTE MODELO.

6º) Vamos ahora a hacer una separación de clave‐ligera clave pesada. Los componentes de la

alimentación son C2, C3, nC4, nC5 y nC6 con flujos molares de 30, 200, 370, 350 y 50 mol/h

respectivamente de 110ºC y 20 atm. Se empleará una relación de reflujo externa(L/D) de 1,5

veces la mínima para obtener un objetivo de recuperación de c3 (clave ligera) de 0,95 y de c4

(clave pesada) de 0,05 en el destilado. En estas condiciones de alta presión es recomendable

un método no ideal a altas presiones PENG‐ROBINSON(PENG‐ROB).

7º) Colocamos un bloque tipo DSTWU y sus corrientes y componentes pero lo desactivaremos

de momento (con la derecha sobre el bloque en el Data browser) para calcular algunos datos

que nos hacen falta. Buscamos la presión en el calderín y el condensador y el tipo de

condensador (parcial o total).

Además nos vendría bien conocer cuál es la fracción de vapor de la alimentación y cuáles son

los puntos de rocío y de burbuja. Todo ello se puede obtener de una unidad flash que

podemos crear en otra hoja de Aspen o en la misma en una nueva sección. En flowsheet,

section creamos una nueva sección con ID FLASH, modelo FLASH2 y le incorporamos las

corrientes.

Temperature (C)

Pressure (atm)


Vapor Fraction

83,16

1,0

100,00

0,00

F

75,43

0,9

24,53

0,00

D

DSTWU101,10

1,1

75,47

0,00

W

Ahora aplicaremos Flash adiabático (heat duty=0) a la alimentación a 110ºC ó 20 atm‐ uno de

los dos‐ para averiguar su condición fásica) y simulamos. Y en los resultados del bloque flash

veremos un 0,0576 de fracción vaporizada (luego es una mezcla V‐L con casi un 6% de vapor).

Esto nos determina ya la condición de alimentación.

Podemos usar el flash como isotérmico de esta mezcla para calcular los puntos de rocío y

burbuja a 120ºF (método FUG). Para ello configuraremos una nueva sección en la hoja de flujo.

Definimos las condiciones del flash para punto de burbuja (120ºF y fracción de vapor nula) y de

la corriente de entrada con las mismas que la corriente de nuestra columna y simulamos.

Dentro de los resultados del bloque flash encontraremos una P del punto de burbuja de 6,823

atm que equivale a 100,3 psi, como la presión es menor de 215 psi se usa el condensador total

a esta presión.

Si hubiera sido necesario calcular el punto de rocío se cambia el valor de fracción de vapor a 1

y se vuelve a simular. En el bloque de resultados del flash ahora indicará 2,479 atm que

equivale a 36,4 psi. Nos tenemos que asegurar que la temperatura está por debajo de la de

descomposición de los componentes sino habría que disminuir la presión en el condensador

para que se necesitara menos temperatura en el calderín y , en consecuencia, en toda la

columna.

Por otra parte vamos a aproximar la caída de presión en columna (5 psi en el condensador y

0,1 psi por plato en columnas atmosféricas o superiores y 0,05 psi en columnas a vacío).

Suponemos 20 platos (10 en cada sección de columna) lo que sería una caída de 6 psi en la

sección superior (incluido condensador) y de 1 psi en la inferior (incluido calderín). Si entra a

20 atm, las presiones serían (20atm‐6psi)=20‐0.41=19.59 atm en el condensador y (20

atm+1psi)=20+0,07 atm=20.07 en el calderín. Esta decisión se puede luego cambiar tras ver el

NPT que resulte de la simulación e iterar.

8º) Cumplimentamos la relación de reflujo (que será una fija o una proporción respecto al

mínimo) que se expresaría con un signo (‐) delante, es decir para 1,5 veces el reflujo mínimo

sería ‐1,5.

9º) Realizamos la primera simulación en estas condiciones y en la hoja de resultados buscamos

los del bloque DSTWU. En esta hoja se especifica entre otras cosas NPTmin y L/Dmin aparte de

los valores actuales de la simulación que podemos pasar a modificar ahora.

La simulación pronostica 16 platos teóricos (siguiente entero a 15,92), y el plato de

alimentación en el plato 9 (8,57). El mínimo NPT es de 10 (9,59) y una relación de reflujo

mínimo de 2,784 entendiendo que en este caso el reflujo se expresa como externo (L/D).

Incluso podemos comprobar en la ficha de balances que los ajustes son buenos.

Como vemos hay menos platos de los considerados por lo que podemos volver a cambiar las

presiones: 9 platos=0,9 psi+5=5,9 psi de pérdida de carga arriba y 7 platos=0,7 psi de pérdida

de carga abajo. Las presiones serán por lo tanto: arriba=20‐5,9 psi=20‐0.40=19,60 atm y

abajo=20+0,7 psi=20+0.05=20.05. Que no son muy dispares de las iniciales. Lo sustituimos y

volvemos a simular.

La simulación pronostica de nuevo 16 platos teóricos (siguiente entero a 15,91), y el plato de

alimentación en el plato 9 (8,57).El mínimo NPT es de 10 (9,54) y una relación de reflujo

mínimo de 2,784 por lo que ahora todo cuadra.

También podemos obtener de las necesidades caloríficas del calderín y el condensador y de las

temperaturas en ambos.

10º) A partir de aquí podemos ir cambiando cada condición del sistema para converger hacia

donde queramos.

Respecto a los valores de las corrientes, podemos observar en el resumen de corrientes

(stream) cómo se han respetado y fijado las proporciones de recuperación de los componentes

clave y como los no claves (c2, c5 y c6) están casi totalmente separados. Estos datos son

inamovibles en la simulación de este modelo (aunque podemos cambiarlos manualmente

antes de simular) y no se pueden hacer especificaciones o análisis de sensibilidad sobre ellos

(en RADFRAC sí podremos).

T emperature (C)

Pressure (atm)


Vapor Frac tion

110,00

20,0

1000,00

0,06

F

48,17

19,6

238,61

0,00

D

DSTWU

137,43

20,0

761,39

0,00

W

DSTWU C2-C6

Stream ID D F W

From DSTWU DSTWU

To DSTWU

Phase LIQUID MIXED LIQUID

Substream: MIXED

Mole Flow mol/hr

C2 29.99496 30.00000 5.03857E-3

C3 190.0000 200.0000 10.00000

NC4 18.50000 370.0000 351.5000

NC5 .1188118 350.0000 349.8812

NC6 8.00154E-5 50.00000 49.99992

Mole Frac

C2 .1257050 .0300000 6.61763E-6

C3 .7962656 .2000000 .0131339

NC4 .0775311 .3700000 .4616580

NC5 4.97925E-4 .3500000 .4595319

NC6 3.35334E-7 .0500000 .0656696

11º) En la ficha de entrada de datos del bloque DSTWU en la pestaña calculations options

podemos forzar a que se calcule la relación entre la relación de reflujo y el número de platos

teóricos. Ponemos que queremos una simulación de platos 10 a 30 y un incremento de 1 y

corremos la simulación. Ahora en los resultados del bloque se genera una pestaña de reflux

ratio profile que nos informa de la dependencia de ambos parámetros entre sí.

Como se observa, al bajar L/D disminuyen los costes de operación por unidad de destilado en

cabeza, pero aumenta el número de platos (y aumenta el coste del equipamiento y del

mantenimiento). Podemos disminuir hasta un valor de L/D de hasta 3,5 y después ya sólo

aumentan los costes del inmovilizado y el mantenimiento y no compensa...

12º) Podemos hacer un análisis de sensibilidad para ver como varía el número de platos

teóricos en la sección de rectificación con el valor de la temperatura de entrada. Para ello en

model analysis tools y sensitivity definimos el análisis de sensibilidad NPT (block var, DSTWU,

RECT‐STAGES) y que varíe la temperatura de F (stream var, F, TEMP) entre 60 y 150ºC en

intervalos de 1ºC en la corriente F. Simulamos y obtenemos que va bajando hasta 107ºC y

cambia de tendencia a partir de aquí (probablemente la mezcla comienza a evaporarse en

este punto y antes es una mezcla sólo líquida). Pero sólo afecta al cambio de NPT en la sección

de rectificación a partir del valor de 117ºC.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35

L/D vs NPT


VARY 1 F MIXED TEMPERAT URE C

NP

T

60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 120,0 125,0 130,0 135,0 140,0 145,0 150,0

7,1

7,2

7,3

7,4

7,5

7,6

7,7

7,8

7,9

8,0

8,1

8,2

8,3

8,4

8,5

8,6

8,7

8,8

8,9 NPT

Otro análisis de sensibilidad interesante es el de cómo varía el reflujo mínimo con la presión en

el condensador. Definimos MINREFLU (block var, DSTWU, MIN‐REFLUX) y lo hacemos variar

con PTOP y representar entre 15 y 20 atm a un intervalo de 0,1 atm. A menos presión, menor

reflujo mínimo casi linealmente.

También podemos hacer estudio de la dependencia del XC5W con la relación de reflujo y

veremos que es independiente. En las condiciones de P y T de la columna el C5 siempre sale

por cola.

Por último, si se desea que la columna sea de tipo empacada (columna de relleno) tan sólo

hay que activar el item Calculate HETP en la hoja Calculation options de la columna y volver a

correr la simulación. Se pueden probar diferentes alturas de columnas y ver la altura

equivalente de plato teórico que se obtiene (un poco al revés de lo que sería habitual): para 6

metros de columna, tendríamos una altura equivalente de plato teórico de 0,377 m).

MODELO DISTL

Por su parte el modelo DISTL es similar al DSTWU pero admite una alimentación

multicomponente. Se deben especificar la relación de reflujo, el número de platos teóricos y la

ratio de productividad (D/F). Luego mediante simulación permite optimizar el resultado. Este

modelo utiliza la aproximación de Edmister. Este modelo no se basa en el NPT y L/D mínimos

sino en los teóricos (no estima los valores mínimos).

1º) Vamos a considerar una mezcla de 1000 mol/h de hidrocarburos c4‐c5‐c6‐c7‐c8

equimoleculares (todos 0,2) sin componentes clave. La temperatura de entrada es 150ºC y la

presión 10 atm. Usaremos el modelo CHAO‐SEA, que está recomendado para aplicaciones de

refinería de baja y media presión.

En este caso se debe definir inequívocamente el número de platos teóricos, el plato de la

alimentación la relación de reflujo externa (L/D) y la ratio D/F. Luego podremos modificarlo


VARY 1 DSTWU PARAM PTOP ATM

MIN

RE

FLU

15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0

2,6

2,62

52,

652,

675

2,7

2,72

52,

752,

775

2,8

2,82

5

MINREFLU

sobre la base de establecer simulaciones con análisis de sensibilidad y de especificación de

diseño.

Vamos a optar en una primera pasada por 20 etapas con el plato de alimentación en la 10, una

ratio de reflujo externo de 2, y una ratio D/F de 0,7. Para no complicarnos en esta primera

etapa podemos poner 10 atm de presión en condensador y calderín (sin casi pérdida) y

consideramos el condensador total. Simulamos y obtenemos una separación mejorable con

casi todo el C4 a c6 en el destilado y en el calderín una mezcla de c7‐c8. Podíamos incluso

haber afrontado esta separación usando DSTWU. Lo peor es que tenemos c7 muy fraccionado

(casi al 50%).

2º) Empezamos por ajustar bien las presiones calculando el punto de burbuja en el flash

isotérmico a 120ºF y fracción de vapor 0 y resulta 1,316 atm que son 19,34 psi muy inferior a

215 psi por lo que el condensador es total. Si ponemos el flash adiabático (heat duty=0) y

150ºC (alimentación) obtenemos una fracción de vapor de 0,1449 (que sería la condición de

alimentación en ASPEN PLUS), por lo que estamos en una mezcla líquido‐vapor de casi un

14,5% vapor y el resto de líquido. Si observamos los resultados de la ficha del DISTL, esta

información está en ellos como feed quality (no está en DSTWU):

Si seleccionamos la corriente F y hacemos un análisis Tools, stream, dist‐curve tendremos las

curvas de destilación conforme a varias normas y estándares para esta alimentación.

DISTL C4- C8

Str eam ID D F FIN LOU T VOU T W

Fr om DISTL FLASH FLASH DISTL

To DISTL FLASH

Phas e LIQ UID MIXED MIXED LIQ UID VAPOR LIQ UID

Subs tr eam: MIXED

Mole Flow mol /hr

NC4 200.0000 200.0000 200.0000 138.6016 61.398398.37777E- 6

NC5 199.9957 200.0000 200.0000 161.6109 38.389094.30716E- 3

NC6 199.1242 200.0000 200.0000 176.8131 23.18687 .8758481

NC7 99.72042 200.0000 200.0000 186.2024 13.79765 100.2796

NC8 1 .160223 200.0000 200.0000 191.9013 8 .098746 198.8398

donde:

NOTA: SOBRE LA CONDICIÓN DE ALIMENTACIÓN EN ASPEN PLUS.

Si hacemos un análisis de corriente del punto (Tools, analysis, stream, point) de propiedades

termodinámicas:

donde HMX es la entalpía. Repitiendo el análisis al imponer una fracción de vapor de 0 y 1 (en

lugar de la temperatura a 10 atm en los datos de la corriente F) obtenemos ‐47937,11 en VF=0

y ‐39585,89 en VF=1. Y podemos calcular la condición de alimentación:

∅39585.89 46736.2539585.89 47937.11

,

CUIDADO: La condición de alimentación en ASPEN PLUS es 1‐ =0,144. en lugar de tomar como

referencia el VAPOR se toma como referencia el LÍQUIDO:

∅46736.25 47937.1139585.89 47937.11

,

Flash.Stream.Distillation for Stream: F

%DISTIL

TE

MP

ER

AT

UR

E C

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0

-10

0,0

-75

,0-5

0,0

-25

,00

,02

5,0

50

,07

5,0

10

0,0

12

5,0

15

0,0

17

5,0

TBPCRV

D86CRV

D1160CRV

VACCRV

3º) VAMOS A AFINAR MÁS EL TEMA DE LA PRESIÓN EN LA COLUMNA. Considerando los 20

platos anteriores con la alimentación en el plato 10, la pérdida de presión sería en la zona de

enriquecimiento sería de 5+1=6 psi=0,41 atm y la presión en el condensador=10‐0,41=9,59.

Para la zona de agotamiento la pérdida sería de 1 psi= 0,07. Y la presión en el calderín sería de

10+0,07=10,07. Lo incluimos en el DISTL y volvemos a iterar y la cosa cambia más bien poco

(ver streams).

Ahora habría que imponer un objetivo: Separar casi completamente el C8 por abajo (>98%) y

el c7 por arriba lo mejor posible. ¿cómo?....

4º) Vamos al análisis de sensibilidad para ver cómo influyen los parámetros clave del DISTL en

la separación y analizaremos la cantidad de C8 en W respecto a F (XWC8/XFC8) en mole flow y

la cantidad de c7 en el destilado respecto a F (XDC7/XFC7) en mole flow en función de la

relación de reflujo (RR), del NPT (NSTAGE) y de la posición del plato de alimentación (FED‐LOC).

En primer lugar, al variar la relación de reflujo (creamos el análisis de sensibilidad REFLUX)

variando RR entre 0,25 y 5 vemos que por encima de 2, casi no mejora ninguno de los dos. Es

más, podemos bajar hasta 1,5 y seguiríamos con un 99% de nC8 recuperado en el calderín y un

50% de C7 en cabeza.


VARY 1 DISTL PARAM RR

XW

C8/

XF

C 8

XD

C7/

XF

C 7

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0,83

0,84

0,85

0,86

0,87

0,88

0,89

0,9

0,91

0,92

0,93

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1,0

0,44

50,

450,

455

0,46

0,46

50,

470,

475

0,48

0,48

50,

490,

495

0,5

XDC7/XFC 7

XWC8/XFC 8

Vamos a bajar la relación de reflujo a 1,5 (antes estaba en 2) en DISTL para ahorrar costes de

operación y simulamos.

Vamos analizar lo que pasa en función del número de platos. Ahora creamos análisis de

sensibilidad llamado NPT (desactivamos mejor REFLUX) en función del número de platos

(NSTAGE) y lo variamos entre 20 y 30 (obviamente en incrementos de 1).

La recuperación en cabeza de c7 mejora aunque no mucho al bajar el número de platos a 20 y

para el c8 apenas empeora al bajar por debajo de 22 platos (por encima algo más).

Hemos de reconsiderar nuestra columna para abaratar costes y bajar el número de platos.

Vamos a cambiar en el módulo DISTL la columna a 10 platos con la alimentación en el 5 y

desactivaremos los análisis de sensibilidad para que no den problemas y simulamos. Vemos los

resultados en stream.

Nos hemos pasado. Con tan pocos platos, empeora mucho la separación (incluso empiezan a

aparecer c6 y c5 en el calderín. Ponemos 15 platos y la alimentación en el 7 y simulamos.

Ahora intentamos mejorar la separación aumentando la relación de reflujo. Activamos el

análisis de sensibilidad REFLUX y variamos entre 1,5 y 10 en intervalos de 0,5 y simulamos.

Basta subir por encima de 3,5 de L/D para tener de nuevo una buena recuperación del c8

(>99%). Así que con unas 15 etapas ahorramos bastante respecto a la columna de 20 y sólo hay

que subir el reflujo de 1,5 a 3,5. Lo hacemos (cambiamos a 3,5 en DISTL) y simulamos.


VARY 1 DISTL PARAM NSTAGE

XW

C8/

XF

C 8

XD

C7/

XF

C 7

20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 23,5 24,0 24,5 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0 27,5 28,0 28,5 29,0 29,5 30,0

0,99

035

0,99

040,

9904

50,

9905

0,99

055

0,99

060,

9906

50,

9907

0,49

10,

492

0,49

30,

494

0,49

50,

496

0,49

70,

498

XDC7/XFC 7

XWC8/XFC 8



XD

C7

/XF

C 7

XW

C8

/XF

C 8

1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 3,25 3,5 3,75 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 5,25 5,5 5,75 6,0 6,25 6,5 6,75 7,0 7,25 7,5 7,75 8,0 8,25 8,5 8,75 9,0 9,25 9,5 9,75 10,0

0,4

89

0,4

90

,49

10

,49

20

,49

30

,49

40

,49

50

,49

60

,49

70

,49

80

,49

9

0,9

72

50

,97

50

,97

75

0,9

80

,98

25

0,9

85

0,9

87

50

,99

0,9

92

50

,99

50

,99

75

XWC8/XFC 8

XDC7/XFC 7

Por último vamos a localizar mejor el plato para mejorar aún más. Desactivamos los otros dos

análisis de sensibilidad y creamos el análisis de sensibilidad FEEDTRAY definiendo la variable

FEED‐LOC entre 2 y 14 (a incrementos de 1). El c8 casi no tiene mejora a partir de la posición

10. Para el c7 mejora cuanto más subimos el plato de alimentación.

Desactivamos el análisis de sensibilidad FEEDTRAY y vamos a cambiar en el módulo DISTL el

plato de alimentación en la posición 13. Activamos el REFLUX entre 0,5 y 10 y EUREKA.

Encontramos un máximo local a 1, pero para cumplir con el 98% de c8 hay que ir a 1,5. De

todos modos a 1,5 de reflujo, 15 platos con el plato 13 de alimentación hemos mejorado la

recuperación de c7. hasta el 58%. NO HAY PARA MÁS. Cambiamos en DISTL a 1,5 y simulamos.

Sólo quedaría AFINAR las presiones del calderín y condensador.

Con 15 platos (13 de ellos en la sección de enriquecimiento los cambios de presión quedarían:

‐6,3 psi y +0,2 psi (9,57 y 10,01). Simulamos con las nuevas presiones y no cambia casi nada.


VARY 1 DISTL PARAM FEED-LOC

XW

C8

/XF

C 8

XD

C7

/XF

C 7

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

0,8

80

,90

,92

0,9

40

,96

0,9

81

,0

0,3

90

,40

,41

0,4

20

,43

0,4

40

,45

0,4

60

,47

0,4

80

,49

0,5

0,5

10

,52

0,5

30

,54

0,5

50

,56

0,5

70

,58

XDC7/XFC 7

XWC8/XFC 8



XD

C7

/XF

C 7

XW

C8

/XF

C 8

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0

0,5

20

,52

50

,53

0,5

35

0,5

40

,54

50

,55

0,5

55

0,5

60

,56

50

,57

0,5

75

0,5

80

,58

50

,59

0,5

95

0,7

50

,77

50

,80

,82

50

,85

0,8

75

0,9

0,9

25

0,9

50

,97

51

,0

XWC8/XFC 8

XDC7/XFC 7

DISTL C4-C8

Stream ID D F FIN LOUT VOUT W

From DISTL FLASH FLASH DISTL

To DISTL FLASH

Phase LIQUID MIXED MIXED LIQUID VAPOR LIQUID

Substream: MIXED

Mole Flow mol/hr

NC4 199.4414 200.0000 200.0000 138.6016 61.39839 .5585874

NC5 196.7742 200.0000 200.0000 161.6109 38.38909 3.225820

NC6 184.9679 200.0000 200.0000 176.8131 23.18687 15.03213

NC7 116.0346 200.0000 200.0000 186.2024 13.79765 83.96544

NC8 2.782274 200.0000 200.0000 191.9013 8.098746 197.2177

Mole Frac

NC4 .2849163 .2000000 .2000000 .1620826 .4238150 1.86196E-3

NC5 .2811060 .2000000 .2000000 .1889900 .2649886 .0107527

NC6 .2642398 .2000000 .2000000 .2067677 .1600521 .0501070

NC7 .1657637 .2000000 .2000000 .2177476 .0952410 .2798848

NC8 3.97468E-3 .2000000 .2000000 .2244120 .0559032 .6573924

NOTA:

Como se observa este modelo sirve básicamente como etapa previa del riguroso (RADFRAC) y

no aporta gran información salvo permitir establecer unas primeras simulaciones en mezclas

multicomponentes sin clave ligera y pesada (que es el campo al que no llega DSTWU) de cuál

es el rango de platos y relaciones de reflujo útiles.

TABLA DE CASOS

NOMBRE COMPONENTES (PROPORCIÓN)

PROPERTY METHOD

EST. ENERG. ENTRADA

EQUIPO NOTAS

ETOH‐H2O ETOH (0,35) Agua (0,65 ) 100 mol/h

IDEAL 1 atm 85ºC

FLASH2 85ºC, 0,8 atm

Isotermo Análisis de sensibilidad Diagr. binarios

Aire O2 (0.205) N2 (0.79) Ar (0.05) 100 mol/h

IDEAL ‐200ºC 1 atm

FLASH2 ‐185ºC 2 atm

Isotermo Análisis de sensibilidad Diagr. ternarios

Ternaria no ideal

2‐etoxietanol n‐octano etilbenceno (0,2; 0,55; 0,25) 100 mol/h

UNIQUAC 100ºc 5 atm

FLASH2 117ºC 0,9 atm

Isotermo Análisis de sensibilidad Azeótropos

Azeótropo ternario

Cloroformo Acetona Metanol (0,4; 0,3; 0,3) 100 mol/h

UNIQUAC 100ºC 1 atm

FLASH2 52ºC 0,8 atm

Isotermo Análisis de sensibilidad Azeotr. ternario.

C2‐C6 Etano 1,5 mol/h Propano 10 mol/h n‐butano 18,5 mol/h n‐pentano 17,5 mol/h n‐hexano 3,5 mol/h total: 51 mol/h

IDEAL 1,72 MPa Fracción de vapor =0

FLASH2 1,72 MPa

P. de burbuja y de rocío Especif. de diseño

C3‐C6

Propano 10% mol n‐butano 20% mol n‐pentano 30% mol n‐hexano 40% mol 100 mol/h

IDEAL 65,5ºc 8,25 atm

FLASH2 93,5ºC 7 atm

Isotérmico y adiabático

HOMEWORK:

1º) Averiguar qué rango de condiciones de presión y temperatura permiten separar una

mezcla benceno‐tolueno en proporción molar 1:5 que entra a 25ºC y 1 atm y se somete a unas

condiciones isotérmicas (50ºC) y 0,2 atm en una unidad flash. Hacer un análisis de sensibilidad

separado y conjunto. Dibujar "plots" de sensibilidad respecto a la P y T del equipo. (Usar el

método de WILSON).

2º) Obtener el diagrama ternario de la mezcla nc5‐nc6‐nc7 a 15 atm usando el método PENG‐

ROBINSON.

3º) Obtener los puntos de rocío y de burbuja a 7,2 atm de una mezcla equimolecular de NH3 y

AGUA usando el modelo WILSON.

4º) Obtener el diagrama ternario con azeótropos a 10 atm y 25ºC de la mezcla equimolar

MeOH‐Acetona‐Hexano. Usar el método PENG‐ROBINSON.

TABLA DE CASOS (II)

NOMBRE COMP. (PROP.)

PROPERTY METHOD

EST. ENERG. ENTRADA

EQUIPO NOTAS

ETOH‐H2O ETOH (0,2 mol) Agua (0,8 mol) 100 mol/h

WILSON 83,16ºC Líquida (VF=0)

DSTWU L/D= 2xL/Dmin 0,9 atm (condensador) 1,1 atm (calderín)

Xd= 0,8 Xw=0,005 Rec ETOH= 0,9812 Rec H2O= 0,061325

C2‐C6 (mol/h) Etano 30 Propano 200 n‐butano 370 n‐pentano 350 n‐hexano 50 total: 1000

PENG‐ ROBINSON

20 atm 110ºC

DSTWU L/D= 1,5xL/Dmin Caída P: 5 psi (condensador) 0,1 psi (plato) Suponemos 20 platos RESULTA: 19,59 atm y 20,07 atm

C. ligera:c3 C. pesada: c4 Rec CL= 0,95 Rec CP= 0,05

ÍDEM PENG‐ ROBINSON

120ºF VF=0 (BP) VF=1 (DP) HD=0

FLASH2 Para calcular el punto de burbuja y rocío y ver la condición de alimentación

C4‐C8 n‐butano n‐pentano n‐hexano n‐heptano n‐octano equimoleculares total: 1000 mol/h

CHAO‐SEA 150ºC 10 atm

DISTL L/D= 2 Suponemos 20 platos Feed Stage: 10 P. supuesta 10 atm en ambas

D/F=0,7

ÍDEM CHAO‐SEA 120ºF VF=0 (BP) VF=1 (DP) HD=0

FLASH2

Para calcular el punto de burbuja y rocío y ver la condición de alimentación

HOMEWORK: Problemas de clase para DSTWU:

1) Una solución acuosa con 35% en peso de amoníaco se desea separar, a 10 atm, en un

producto de cabeza con un 97,5% de amoníaco y un producto de colas con un 2,5% de

amoníaco. Si la alimentación entra a 15 °C y la relación de reflujo es L/V = 2/3, calcular:

- las corrientes de entrada y salida de la columna, el condensador y el calderín.

SOLUCIÓN BALANCE DE MASA

Corriente Caudal (kg/h) Fracción másica

F 100 0,35

D 34,21 0,975

W 65,79 0,025

L0 68,42 0,975

V1 102,63 0,975

Para el ASPEN:

En el condensador: Fracción recuperada de NH3: (0,975*34,21/0,35*100)=0,95299

Fracción recuperada de H2O: (0,025*34,21/0,65*100)=0,01316

OJO: Reflujo externo: (L/D)= 68.42/34.21=2

USAR método termodinámico PENG ROBINSON with WONG‐SADLER mixing rules (PRWS)

Como aproximación, consideramos que no hay pérdida de presión en la columna: 10 atm en

cabeza y cola.

Resultados: Da lugar a algo con no demasiado sentido (3 platos con un mínimo de 2 y la

alimentación en el segundo plato...). Al resolverlo por Pochon‐Savarit os salieron 4 platos (3

más el calderín). Parece que en estas condiciones de presión y temperatura, la separación es

muy sencilla (volatilidades muy diferentes entre compuestos) y no tiene sentido montar una

columna de rectificación. En cualquier caso vamos a considerar un análisis de sensibilidad de

L/D vs NPT de 2 a 12 platos y vamos a generar los resultados, a partir de 5‐6 platos el descenso

en la ratio de ref lujo no justifica seguir.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10 12 14

L/D vs NPT

MEMORIA FINAL Compromisos y Resultados … · 6 Unidad de Innovación Docente Edifício Centro...

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