Antología de Ejemplos de Simulación de Procesos

5/20/2018 Antologa de Ejemplos de Simulacin de Procesos

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Departamento de Ingeniera Qumica yBioqumica

Antologa de Simulacin de Proceso

en In eniera Qumica

2013Garay Rodrguez Martnez Sifuentes


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Instituto Tecnolgico de Ciudad Madero

Antologa de simulacin de procesosen Ingeniera Qumica

2013

Luis Felipe Garay Rodrguez

Vctor Hugo Martnez Sifuentes


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica ndice

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ndice

PginaIntroduccin 1

1. Flujo de FluidosProblemas

1.11.21.31.41.51.6

268101314

2. Balance de Materia y Energa

Problemas2.12.22.32.42.52.62.72.8

1721252833374148

3. Procesos de separacin

Problemas3.13.23.33.43.53.63.7

53556066697479

4. TermodinmicaProblemas

4.14.24.34.44.54.64.7

84879093949798


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica ndice

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5. Reactores QumicosProblemas

5.15.25.3

5.45.55.6

100103105

107119111

6. Transferencia de calorProblemas

6.16.26.36.4

113116119122


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica Introduccin

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Introduccin

El presente trabajo es un material didctico para apoyo de los cursos Simulacin de Procesos yde Diseo de Procesos II. Se trata de una serie de problemas resueltos que se pretende sirvan

como ejercicios a los estudiantes que estn cursando alguna de esas materias. Por un mejoraprovechamiento del material, se sugiere leer y comprender el enunciado del problema, tratarde resolverlo por s mismo, y posteriormente comparar sus resultados con los que muestra estedocumento.Conviene aclarar que es la primera vez que se ofrece este material didctico para su uso y aunest sujeto a revisin; es decir, algunas de las soluciones mostradas pudieran tener algn erroraunque no con ello pierden utilidad. Se les pide que, por favor, informen a sus maestros dealgn error detectado o alguna duda que tengan en la solucin de alguno de los problemas paraque haya retroalimentacin que sirva en la mejora del material y, por lo tanto, en su utilidad.


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica Flujo defluidos

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1. Flujo de fluidos

1.1.- Determine el caudal de agua en m3/da a 20C que puede transportarse a travs de2000m de tubera de hierro de 2 in. Con una diferencia de presin de 5 atm (Utilice un anlisisde sensibilidad)Calcule la potencia de la bomba necesaria para transportar ese caudal de agua.

Solucin

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:Vol: m3/da P: atm T: C

Componentes: Agua.

Modelo termodinmico:NRTL; Polar, no electrolito, P < 10bar

Diagrama de flujo:

Datos de las corrientes de entrada y de los equipos:

T = 20CP = 1 atm

G = 100cum/da

Legth = 2000 mInn diam= 2 in

valid phases: liquid only

Presin de descarga = 6 atm

1 B1 B2


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Resultados

En este caso los resultados no son correctos, ya que estamos suponiendo un flujo de 100cum/da que es tomado como primera aproximacin. Entonces, es momento de ver como vara

la presin de salida con respecto al flujo de entrada de agua.Por ello se realizar un anlisis de sensibilidad.

S-1 (Anlisis de sensibilidad)Vary

Variable de corriente, Corriente 1Flujo volumtrico (100-200 m3/da)

Definevariable de corriente, corriente 3

Presin. Tabular la presin

Resultados:


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Y aqu comprobamos que con un flujo de entrada de agua de 183m 3/da obtenemos una cadade presin de 5 en esta tubera.

Procedimiento alternativo:

Podemos ir directamente a la seccin de especificaciones de diseo deAspen Plus, crear uno nuevo y llenarlo exactamente igual que como sehizo el anlisis de sensibilidad. Una vez que se ponen todos los datosobtenemos:

Con lo que se comprueba los resultados obtenidos en el anlisis desensibilidad.

Ahora calcularemos la potencia que debe tener la bomba para darnos esa misma cada depresin. Con el anlisis de sensibilidad obtenemos los siguientes resultados:

Observando que al introducir esta potencia de la bomba nos arroja la cada de presin quequeremos


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Conclusin:

Con lo anterior concluimos que para tener una cada de presin de 5 necesitamos en estatubera un flujo de 183m3/da y una potencia de 2826W


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1.2.- Se necesita transportar 50m3/h de etanol desde un depsito situado en la planta baja deuna fbrica, hasta un reactor situado 20 metros sobre el depsito (en sentido vertical). Laconduccin se ha de realizar a travs de una tubera de 4 in y la instalacin tiene una longitudde 40 m con 4 codos de 90 y dos vlvulas de compuerta. Calcule la potencia de la bomba a

instalar si el rendimiento de la bomba es 65%

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:Vol: m3/h P: atm T: C Power: kW

Componentes: Etanol.


Diagrama de flujo:


T = 25CP = 1 atm

G = 50cum/h

presin de descarga = 6 KWeficiencia = 0.65

Potencia = 10kw

Longitud = 40 mDimetro Interno = 4 in

4 codos de 90, 2 vlvulas

Al explorar el panel donde damos de alta las caractersticas del equipo (tubera) podemos darde alta los accesorios

Este problema se resuelve de manera similar al anterior, ya que en este caso tambin tomamosen cuenta que el flujo debe caer en el reactor a una presin de 1 atm.

1 B1 B2


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Para determinar la potencia de la bomba para que esto ocurra, hacemos un anlisis desensibilidad tomando en cuenta las mismas variables del problema anterior obteniendo:

Evaluando el problema con la potencia obtenida del anlisis de sensibilidad se comprueba quees correcto el resultado de potencia de 220 W mantenindose el mismo flujo.


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1.3.- Calcule la presin de salida para un sistema de tuberas que se compone de 500 ft detubera de 6 in de dimetro interno y 100 ft de tubera de 3 in de dimetro. El primer tramo detubera tiene un ascenso de 15 ft y cuenta con 2 codos de 90 y el segundo tramo tiene unascenso de 15ft y una vlvula de compuerta en su trayectoria. La temperatura del agua es

50F y fluye a razn de 15 ft3/min.

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:Vol: ft3/min P: atm T: F l:ft

Componentes: Agua.


Diagrama de flujo:

En este caso, no se agreg la bomba, ya que no hace referencia a ella, sin embargo, al igualque en los problemas anteriores, se tom en cuenta que el fluido entra a la tubera a unapresin de 6 atm.


T=50FP= 6 atm

G= cuft/min

Longitud=500Dia. Int.= 6 inascenso= 15ft

Codos de 90= 2

Longitud= 100 ftDia. Int.=3 inascenso= 15ft

2 B3 B2


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Resultados:

En la seccin de sumario de resultados es posible ver los resultados de las corrientes deldiagrama de flujo. En ellas se observa lo siguiente:

En esta tabla se observa que el flujo de alimentacin se conserva en todo el sistema detuberas, tomando en cuenta que entra a una presin de 6 atm. Sin embargo, a lo largo de lamisma, se genera a una cada de presin llevndola a descargarse a una presin de 5.29 atm.

Siendo esta la respuesta al problema propuesto.


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1.4.- Se desea bombear etanol a 15C con un caudal de 86700 Kg/h desde un reactor detratamiento hasta un depsito a presin atmosfrica. El reactor de tratamiento se encuentra auna presin de 2 atm, y el nivel de etanol en el mismo est a 15 m por debajo del nivel deldepsito. Las dos unidades estn conectadas mediante una conduccin de acero estndar (40s)

de 300 m de longitud y 6 in de dimetro nominal (15.4 cm de dimetro interno) con 50uniones, 20 codos de 90 y 2 vlvulas de compuerta.

a) Calcular la potencia requerida si el rendimiento de la bomba es del 50%

b) Se sugiere que la potencia necesaria puede reducirse calentando el etanol a 40C antes de subombeo. Calcular esa nueva potencia.

SOLUCIN:

Este problema nos sugiera un esquema complicado de diagrama de flujo, ya que nos habla dediferentes alturas entre niveles de las unidades, con esto podramos incluir en nuestro sistemavarios bloques de tuberas, sin embargo, no tenemos informacin suficiente sobre cuntos delos accesorios mencionados anteriormente, van en cada una de ellas. Es por ellos que elarreglo se plantea de manera similar que en los ejemplos anteriores.

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:

Masa: kg/h P: atm T: C

Componentes: Etanol.


Diagrama de flujo:


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T = 15CP = 2 atm

Mf = 86700 Kg/h

Power required = 1kwEf =. 5

Longitud = 320 mMat = carbon steel, ced = 40, Dn = 6

inAscenso = 15m

Codos de 90 = 20Vlvulas de compuerta = 2

Una vez introducidos estos datos se procedi a hacer un anlisis de sensibilidad para conocerentre que valores se encuentra la potencia de la bomba para generarnos una presin de 1 atm ala salida.


Variable de bloque, bloque 1Power (1-10 kw)

Definevariable de corriente, corriente 2

Presin. Tabular la presin

Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Observamos que el valor de la potencia que nos dauna presin de 1 atm est entre 4.17 y 4.5 kw.

Para estar ms seguros del valor correcto, podemoshacer un anlisis de especificaciones de diseo,donde obtendremos que el valor correcto de lapotencia que dar 1 atm es: 4.17839kw.

3 B1 B2


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Para el inciso b, nos menciona que sera mejor aumentar la T de entrada del etanol para unmejor transporte. Por ello en las condiciones de la corriente de entrada cambiaremos la T a40C. Se procede a realizar el mismo anlisis que en el inciso anterior, obteniendo:

Se comprueba lo que menciona el enunciado (alaumentar la temperatura de alimentacin, disminuyela energa para transportarlo).

El problema se corre de nuevo con la potenciacorrecta y se observa que entra el flujo en la corriente3 con 2 atm y sale por la corriente 2 a 1 atm.


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1.5.- Calclese la prdida de carga y la cada de presin en un tubo horizontal de 6 in dedimetro y 200 ft de longitud de hierro fundido asfltico, por el que circula agua a unavelocidad media de 6 ft.

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:Vel: ft3/min P: atm T: F l:ft

Componentes: Agua.


Diagrama de flujo:


T = 77F

P = 12697.3 lb/in2

G = 1.1781 cuft/s

Legth = 200 ft

Inn diam = 0.5 ftvalid phases = liquid onlyroughness = 0.0004 ft

Una vez introducidos los datos, corremos la simulacin, y abrimos los resultados del equipoB1. Ah observaremos una pantalla como la siguiente, la cual nos muestra el resultado de lacada de presin, y si lo transformamos a pulgadas de agua, observamos la carga de la tubera.

Donde podemos concluir que la cada de presin es de 273.63 psi, y la carga es de 52.59 in deagua.

1 B1


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1.6. El benceno a 100F (37.8C) se bombea a travs del sistema de la figura a una velocidadDe 40 gal/min (9.09 m3/h). El depsito est a la presin atmosfrica. La presin manomtricaal extremo de la lnea de descarga es de 50 lb f/in

2(345kN/m2). La descarga est a una altura de10 y la bomba de succin est a 4 ft arriba del nivel del depsito. La lnea de descarga es 1

in norma 40 de tubera. Se sabe que la friccin en la lnea de succin es 0.5 lbf/in2(3.45kN/m2), y en la lnea de descarga 5.5lbf/in

2 (37.9 kN/m2). La eficiencia mecnica de labomba es de 0.6.Calcule:

a) La potencia total de la bombab)

Si el fabricante de la bomba especifica que se requiere un NPSHR de 10 ft Serconveniente esa bomba para ese servicio?

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:Vol = cum/h P = psia T = K

Componentes: Benceno.

Modelo termodinmico:Peng Rob; todos no polar, real

Diagrama de flujo:

Datos de las corrientes de


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entrada y de los equipos:

Legth=4 ftPipe rise= 4 ft

Material = Carbon steelSchedule = 40

Nom diam = 1.5 INvalid phases = liquid only

90 deg elbows = 2

Legth=10 ftPipe rise= 10 ft

Material = Carbon steelSchedule = 40

Nom diam = 1.5 INvalid phases: liquid only

90 deg elbows = 2

power = 1500 Kw (1sup)eff = 0.6

T = 37.8 CP = 14.7 psia

G = 9.09 cum/h

Una vez introducidos los datos corremos la simulacin, sin embargo, debemos hacer unanlisis de sensibilidad para determinar que potencia de la bomba nos permite una presin dedescarga de 64.7 psia.Los resultados del anlisis se observan a continuacin:

Observamos que la potencia que requerimos para lograr esta presin en la descarga es de 1627Watt. Introducimos este dato en los datos de entrada del equipo y corremos de nueva cuenta lasimulacin. A continuacin se presentan los resultados del problema.

1

B1 B3B2


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a) Potencia de la bomba b) NPSH

El enunciado del problema nos menciona que el valor mnimo requerido de NSPH es de 10 fty el valor obtenido es considerablemente mayor por lo tanto, la bomba es adecuada para los

propsitos de servicio.


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica Balance de materia yenerga

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2. Balance de materia y energa

2.1.- Considrese un tren de separacin formado por dos columnas de destilacin que se hadiseado para separar una mezcla de benceno, tolueno y p-xileno en tres corrientes cada una

con uno de los tres componentes en composicin predominante. La figura muestra el diagramadel sistema con los componentes que contiene cada corriente.

Dado un flujo de alimentacin de 1000 lbmol/h de una mezcla que consiste de 20% debenceno, 30% de tolueno y el resto de p-xileno (todos en por ciento mol). En la primeracolumna se obtiene un producto de fondos con 2.5% de benceno y 35% de tolueno y unproducto de destilado con un 8% de benceno y 72% de tolueno en la segundo columna.

Determinar la cantidad de material que procesar cada unidad y la manera en que se dividireste material entre las corrientes de salida.

Solucin:

Sistema de unidades:ENG:mol flow: lbmol/h T: F P: psia

Componentes: benceno, tolueno y p-xileno


Diagrama de flujo:

Para resolver este problema se tratarn las columnas de manera separada, para lograr obtenerlas composiciones requeridas por el enunciado y determinar los flujos que manejan. Una vezcumplidas las especificaciones de la primera columna, se proceder con la segunda de lamisma manera


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T=25CMF = 1000lbmol/h

P = 14.7 psia

calc type = eq Rev = kettle R = 1N = 15 Val phase = V-L PA = 7

Cond = total Dist rate = 500 lbmol/h P = 14.7 psia

NOTA: El no. de platos, la relacin de reflujo, el plato de alimentacin y el flujo de destilado,son especificados como primera suposicin al correr el problema, los cuales no son loscorrectos.Para determinar el flujo de destilado correcto que nos permitir obtener las composiciones enel fondo que nos pide el problema hacemos uso del anlisis de sensibilidad


Variable de bloque, B1MOL D

lower = 1upper = 900salto = 100

DefineBEN, mole frac, stream = 3, component = benzeneTOL, mole frac, stream = 3, component = tolueneXIL, mol frac, stream = 3, component = xylene

En la figura siguiente se observan los resultados

Observamos que la composicin defondos requerida en la primera columna,la encontramos si usamos un flujo dedestilado entre 200 y 300 lbmol/h.

1 B1


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica Balance de materiay energa

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Hacemos el rango ms pequeo observando que el flujo de destilado que necesitamos parallegar a los requerimientos es de 212 lbmol/h

Como se observa, logramos la especificacin

de benceno, mas no alcanzamos la de toluenopor tal motivo, hacemos de nueva cuenta unanlisis de sensibilidad variando ahora larelacin de reflujo de 1 a 5, el no. de platos yel plato de alimentacin con el cualconcluimos que para lograr el 35% y el 2.5%de tolueno y benceno en los fondos de laprimera columna respectivamente, se requiereen la primera columna:

18 platos, con una R de 1.18, alimentando en el plato 5 y con un flujo de destilado de 212lbmol/ h.

Los resultados se podrn observar ms adelante.

Una vez que se cumple lo indicado en la primera columna pasamos con la segunda.

En el diagrama de flujo se observa lo siguiente.

Para esta columna, suponemos los datos de inicio iguales que en la primera columna yhacemos de nueva cuenta anlisis de sensibilidad para determina las especificaciones de lamisma que nos permitan llegar a las composiciones en el destilado deseadas.


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De los anlisis realizados podemos concluir que la columna 2 debe tener 14 platos,alimentarse en el plato 7 una relacin de reflujo de 1.48 y un flujo de destilado de 244 lbmol/h

As pues una vez dimensionada la columna se observa que se cumplen las fracciones mol en el

fondo de la primera columna y en el destilado de la segunda establecidos. Solo hay unapequea variacin entre los resultados.

Finalmente como respuesta del problema podemos decir que como se observa en la figuraanterior, la columna 1 maneja un flujo de 1000 lbmol/h, del cual 212 se van por el destilado y788 por el fondo. stos ltimos entran a la segunda columna dividindose en 244 y 544 endomo y fondo respectivamente.


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2.2.- El alcohol etlico puede oxidarse con bacterias para dar cido actico por la secuencia defermentacin en dos pasos:

Se alimenta al reactor una mezcla de los reactivos a 280F y 1atm 600 y 900 lbmol/h de etanoly O2 respectivamente. Las reacciones ocurren simultneamente con una conversin de del60% ambas.

a) Calcule el flujo de cido que se produce de esta reaccin.b) Si queremos obtener 600 lbmol/h de cido, Qu cantidad de alcohol debemos ingresar

al reactor?c) Qu flujo de O2 se requiere para obtener 600 lbmol/h de cido?

d)

Es necesario aumentar el flujo del reactor para mejorar la produccin? Demustrelo.

Solucin

Sistema de unidades:ENG:mol flow: lbmol/h, mass flow: lb/h, T: F,P: psia

Componentes: etanol, agua, O2, cidoactico, acetaldehdoModelo termodinmico:NRTL; polar, no electrolito, P < 10 bar, ij si,ll no.

Diagrama de flujo:

Nuestro proceso se lleva a cabo en un reactor simple con clculos de balance de materia yenerga, por tal motivo usaremos un reactor estequiomtrico. El diagrama se observa acontinuacin.


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Datos de las corrientes de entrada y los equipos:

T=280C600 lbmol/h etOH900 lbmol/h O2

P = 14.7 psia

P = 14.7 psiaT = 280F

Reaccin

2C2H5OH + O2 2CH3CHO + H2O 60%2CH3CHO + O2 2CH3COOH 60%

Corremos la simulacin con los datos introducidos y obtenemos los resultados del inciso a

Donde observamos que alimentando los flujos especificadosen el problema se producen 216 lbmol/h de cido actico.Tambin se observan los resultados de los dems

componentes que se produjeron en el transcurso del procesoy de los reactivos que no reaccionaron.

En el inciso bnecesitamos saber qu cantidad de etanoldebemos alimentar si queremos obtener 600 lbmol/h de

cido y para esto debemos de hacer un anlisis de sensibilidad donde nuestra variableindependiente es el flujo molar de etanol en la corriente de alimentacin, y nuestra variabledependiente es el flujo de acido actico que sale por la corriente 2 el cual llamaremos acetic.Finalmente pedimos al simulador que nos tabule la variable acetic y corremos nuestrasimulacin obteniendo los siguientes resultados.

En estas tablas observamos que necesitamos alimentar 1667 lbmol/h de etanol para poderobtener las 600 lbmol/h de cido actico que necesitamos.

1 B1


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Se sugiere correr la simulacin con los datos obtenidos para corroborar lo obtenido en esteapartado.

Para el inciso cse repite lo mismo que en el anterior, slo que esta

vez la variable independiente es el flujo de oxgeno. Los resultados sepueden ver en la siguiente tabla la cual nos muestra que en este caso elflujo de oxgeno no es el que influye en la produccin del cido, ya quepor ms que se agregue al reactor la produccin no aumenta. Estosresultados son lgicos puesto que se estableci como dato unaconversin fraccional y como reactivo limitante el etanol.

Finalmente concluimos con el inciso d, donde queremos saber cmomejorar la produccin sin necesidad de aumentar la produccin de losreactivos, sino aprovechar los que se quedaron sin reaccionar.

Para esto, podemos agregar una purga al final de la segunda corriente como se observa en eldiagrama.

En este caso hacemos un anlisis de sensibilidad para determinarcul es la fraccin mxima que podemos recircular de nuestroproducto. Nuestra variable independiente es la fraccin derecirculacin que es una variable de bloque y nuestra variabledependiente es el flujo de cido actico. Los resultados losobservamos en la siguiente tabla.

Observamos que la fraccin mxima que podemos recircular es de0.97, ya que ms all de eso nuestra simulacin nos marca errores.Tambin se observa que al recircular esa fraccin se obtiene lamayor cantidad de cido actico del proceso.

Por tanto el resultado es 0.97 la fraccin de recirculacin.


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Para finalizar con este problema es bueno observar los resultados finales al correr lasimulacin con las especificaciones obtenidas.

Con esto se concluye que en este proceso se pueden obtener 575lbmol/h de cido actico.


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2.3.- Deshidrogenacin de propano

En un reactor se deshidrogena propano para dar propileno

El proceso se va a disear para una conversin total de 95% del propano. Los productos dereaccin se separan en dos corrientes: la primera que contiene H2, C3H6, y 0.555% del propanoque sale del reactor, se considera como producto; la segunda corriente, que contiene el balancedel propano sin reaccionar y 5% del propileno de la primera corriente se recircula al reactor.Calcule la composicin del producto, la relacin (moles recirculados)/(moles de alimentacinfresca)

Solucin:

Sistema de unidades:METCBAR:mol flow: Kmol/h mass flow: Kg/hT: C P: bar

Componentes: C3H8, C3H6, H2

Modelo termodinmico:Peng Rob: todos no polar, real

Diagrama de flujo:

Para comenzar este problema, lo trataremos con un sistema abierto hasta la salida del reactorcomo se observa en la figura, una vez hecho esto trataremos la separacin y la recirculacin.


T=25C

MF = 1000Kmol/h

P = 0 bar (no

hay cada de P)

T = 25C

P = 0 bar (no

Reaccin

conv = 0,95 de C3H8

1 B1 B2


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P = 1,013 bar T = 25C hay cada de P)

Corremos la simulacin y obtenemos los siguientes resultados:

Ahora nos dedicaremos a la separacin, para esto ocuparemos un equipo denominado Sep 2localizado en los mdulos de los separadores. Este nos hace clculos de balance de materiaespecificndole los porcentajes de una de las corrientes de salida.

En la imagen se observa cmo queda el diagrama de flujo nuevo.

Las especificaciones del equipo (SEP 2) se observan en la siguiente figura

Primeramente, tenemosque especificar una delas corrientes, en estecaso escogemos S1 quees la que tomaremos

como producto.

No conocemos el flujo de esta corriente, sin embargo, podemos conocer que porcentaje de loque entra al sep 2 sale por esta corriente.

Sabemos que entran 195 kmol/h en total, y del enunciado, sabemos que por esta corriente, saleel 0.555% del propano que sale del reactor, todo el hidrgeno, y el flujo de propileno no loconocemos sin embargo lo podemos sacar del enunciado que dice que en la corriente de


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recirculacin se va el 5% del propileno que sale por el producto, por tanto podemos hacer elsiguiente balance

Mol propileno entrada = mol propileno salida + 0.05(mol propileno salida)

95 = 1.05(mol propileno salida) por tanto mol propileno salida = 90.4761

Ahora calculamos el porcentaje de lo que entra que saldr por el producto

Entran 195 kmol y salen 95 + 90.4761 + 5(0.00555) = 185.5038

Por lo tanto lo que ponemos en Split fraction es 185.5038/195 = 0.9513

Ahora s, corremos el programa y obtenemos lo siguiente:

Ahora reconectamos la corriente S2, al mezclador y volvemos a correr la simulacinobteniendo:

En la imagen se observan los resultados del problema, resaltando lo que nos pide el enunciado

Composicin del producto:

Propano = 0.000146Propileno = 0.4999Hidrgeno = 0.4999

y la relacin de moles recirculados/mol alimfresca10.2375/100 = 0.10237


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2.4.- Proceso de extraccin-destilacinSe desea separar una mezcla que contiene 50% en peso de acetona en dos corrientes (unaenriquecida con acetona y la otra con agua). El proceso de separacin consiste en extraer laacetona del agua usando metil isobutil cetona (MIBK) la cual disuelve la acetona pero es casi

inmiscible en agua. La siguiente descripcin presenta algunos trminos de uso comn parareferirse a los procesos de extraccin de lquidos. El siguiente es el esquema del proceso:

Primero se pone en contacto la mezcla de acetona (soluto) y el agua (diluyente) con la MIBK(solvente) en un mezclador que proporciona buen contacto entre las dos fases liquidas. Unaporcin de la acetona de la alimentacin se transfiere a la fase acuosa (agua) a la fase orgnica(MIBK) en este paso. La mezcla pasa por un tanque de decantacin donde las fases se disociany se retiran por separado. La fase rica en diluyente (agua en este proceso) se denominarefinado y la fase rica en solvente (MIKB) es el extracto. La combinacin mezclador-

precipitador constituye la primera etapa de este proceso de separacin. El refinado pasa a lasegunda etapa de extraccin, donde se pone en contacto con una segunda corriente de MIBKpuro, lo cual permite la transferencia de ms acetona. Se permite que ambas fases se separenen un segundo decantador y el refinado de esta etapa se desecha. Se combinan los extractos delas dos etapas de mezclador-precipitador y se alimentan a una columna de destilacin. Elproducto ligero de la columna es rico en acetona y es el producto del proceso, el efluentepesado es rico en MIBK y en un proceso real se tratara ms adelante y se recirculara paradevolverlo a la primera etapa de la extraccin, pero no consideraremos la recirculacin en esteejemplo.En un estudio en una planta piloto por cada 100kg de acetona-agua que se alimentan a la

primera etapa de la extraccin, se alimentan 100 kg de MIBK a la primera etapa y 75 kg a lasegunda etapa, se observa que el extracto de la primera etapa contiene 27.5% en peso deacetona (todos los porcentajes en el resto del prrafo son en peso). El refinado de la segundaetapa tiene una masa de 43.1 kg y contiene 5.3% de acetona, 1.6% de MIBK y 93.1% de agua;el extracto de la segunda etapa contiene 9% de acetona, 88% de MIBK y 3% de agua. Elproducto ligero de la columna de destilacin contiene 2% de MIBK, 1% de agua y el balancede acetona.


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Tomando como base de clculo una alimentacin de 100kg de acetona-agua, calcule las masasy composiciones (porcentajes en peso de los componentes) del refinado y del extracto en laetapa 1, el extracto de la etapa 2, el extracto combinado y los productos ligeros y pesados de ladestilacin.

Solucin:

Sistema de unidades:

METCBAR:

mol flow: Kmol/h mass flow: Kg/h T:

C P: bar

Componentes: MIBK, agua, Acetona

Modelo termodinmico:

UNIQUAC; polar, no electrolito, P < 10 bar, ij si, ll

si.

Diagrama de flujo:

Este proceso lo trataremos por partes, ya que necesitamos algunos resultados para podertomar decisiones y continuar con su desarrollo. Empezaremos con un diagrama como el quese muestra a continuacin:


T=25CMassF = 100Kg/h

P = 1,013 bar

T = 25 Cmass f = 100 kg/h

P = 1,013 barFraccin masa

Ac = 0.5, agua = 0.5

P = -0 bar (no hayCada de Presin)

P = 1,013 barT = 25 C

Una vez que ya introducimos los datos, corremos la simulacin para determinar cul de las doscorrientes que salen del decantador son el refinado y el extracto. Segn la imagen que seobserva a continuacin, la corriente marcada con el nmero 4 es el refinado, mientras que la

MIBK AC-WAT B1 B2


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nmero 5 es el extracto por lo tanto, la nmero 4 es la que va a ponerse en contacto con elMIBK puro que entra el nuevo mezclaros, mientras la otra se deja por el momento.

Procedemos a agregar los otros dos equipos, el diagrama de flujo se muestra a continuacin.Los datos que se introducen a estos nuevos son iguales a como se introdujeron la primera vez.

La corriente 6 contiene 75 kg/h de MIBK puro en condiciones normales.Corremos de nueva cuenta la simulacin para determinar cul de las corrientes de salida delsegundo decantador es el extracto y el refinado. Los resultados se pueden ver en la siguienteimagen.

RefinadoExtracto

Refinado Extracto


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Por los tanto, las corrientes 5 y 9 los cuales con extractos y son ricos en acetona y MIBK semezclan y pasan a la columna de destilacin para la separacin. Los datos de entrada delmezclador son similares a los de los mezcladores de la seccin anterior.Los resultados (de los extractos mezclados) se muestran a continuacin

Los datos de la columna se muestra a continuacin, as como el diagrama de flujo final.

calc type = eqN = 15

cond = total

Rev = kettleVal phase = V-L

P = 1.013 bar

Dist rate = 45 kg/hPA = 7R = 1

(N Y PA son nuestraprimera estimacin)

Corremos la simulacin y hacemos un anlisis de sensibilidad para determinar con qu N y Rse logra la especificacin de la composicin de acetona en el destilado. Los resultados delmismo no se mostrarn ya que por el nmero de clculos son muchos, sin embargo semostrar a continuacin cierta peculiaridad que mostr la solucin.

B7


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Como se observa en la imagen todas estas especificaciones cumplen con el resultadorequerido, por lo tanto, cualquiera pudiera ser nuestra respuesta buscada, sin embargoenfocndonos en la parte econmica, el resultado de N = 38 y R = 2.5 sera el apropiado, yaque los costos de operacin (provocados por la relacin de reflujo) son de mayor peso que loscostos fijos (por el nmero de platos que slo se pagar en la instalacin).Ahora bien una vez que ya tenemos las especificaciones correctas, corremos la simulacinpara observar los resultados

Donde se observa que se cumplen con las especificaciones pedidas


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2.5.- Balance de energa en un sistema de flujo con bomba.

En un gran tanque aislado a presin atmosfrica, se est alimentando agua a 85C como semuestra en la figura. El agua se est bombeando en estado estacionario desde este tanque en el

punto 1 mediante una bomba con una velocidad de 0.567 m3

/min. El motor que impulsa labomba proporciona energa a una tasa de 7.45 kW. El agua pasa por un intercambiador decalor, donde cede 1408 kW de calor. El agua enfriada se conduce despus a un gran tanqueabierto en el punto 2 que est a 20 m por encima del primer tanque. Calcule la temperaturafinal del agua que pasa el segundo tanque.

Si para enfriar usamos agua a 25C, calcule el flujo de agua necesario para que se intercambieesta cantidad de calor en el mismo.

Si requerimos que el agua llegue al tanque no. 2 a una presin de 1 atm, determine quepotencia de la bomba necesitamos para que esto ocurra.

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:vol flow: cum/min mass flow: Kg/sT: C P: atm Power : kW

Componentes: agua

Modelo termodinmico:Wilson ; polar, no electrolito, P < 10 bar, ijsi, ll no.

Diagrama de flujo:

Para la primera parte del problema, el diagrama de flujo es el siguiente, ya que slo usaremosun heaterpara hacer los clculos iniciales de una manera ms sencilla.


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T = 85CvolF = 0,567cuml/minP = 1 atm

Pumppower rec =

7.45kW

length = 2 minn diam = 0.0254 m

Duty = 1408 Kw

Corremos la simulacin y con los resultados podemos responder la primera cuestin .

Como muestra la imagen, la T2 que pide el problema (o T4) en la tabla es de 49.32C.

Ahora bien, nos menciona que usaremos agua de enfriamiento, por lo tanto, introduciremos unheat x, en el cual podremos manipular el flujo de agua para calculara la energa transferida.

El diagrama de flujo queda como se muestra a continuacin, as como las especificaciones delnuevo equipo.

1 B1 B2 B3


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ShortcutEspecificacin = exanger duty1408 kW

T = 25C

P = 1 atm

vol f = 0.1 cum/min

Corremos la simulacin y con a continuacin hacemos un anlisis de sensibilidad, donde lavariable independiente (vary) es el flujo volumtrico de agua de enfriamiento y como variabledependiente (define) el calor intercambiado. Corremos esta simulacin, y los resultados semuestran a continuacin.

En el caso de los intercambiadores de calor, al momento de hacer un anlisis de sensibilidad,la variable que especificamos de inicio, por ms que cambiemos los valores de la variabledependiente, estos nunca van a cambiar, por tal motivo, cuando el flujo de agua no nosprovoca ese intercambio nos marca error.

B3 5


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Por tal motivo, como observamos en las imgenes el flujo d agua mnimo que logra esaenerga intercambiada es el de 0,353 cum/min, siendo esta la respuesta de nuestro segundoinciso.

Finalmente, se nos dice que requerimos que la presin de descarga en el punto 2 (4 en lascorrientes del diagrama de flujo del simulador) sea de 1 atm, por tanto para este puntodebemos hacer un anlisis de sensibilidad para determinar cmo vara la presin de salida conrespecto a la potencia de la bomba.

Nuestra variable independiente es la potencia de la bomba, mientras que la dependiente es lapresin de salida.

Los resultados se muestran a continuacin.

Aqu observamos que con una potencia de 5.7 Kw, logramos que el agua suba 20 m se enfre ysalga con una presin de 1 atm en el punto 2.

Finalmente corremos la simulacin con estos datos y los resultados son:

Observando en la imagen que se cumple lo especificado en los tres incisos.


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2.6.- El metano puede producirse a partir del monxido de carbono e hidrgeno por lareaccin siguiente.

La alimentacin fresca que contiene CO y H2 en proporcin estequiomtrica entra el procesocon una velocidad de 2.2 m3/s, 25C y 6 MPa y se combina en forma adiabtica con unacorriente de recirculacin. La corriente combinada se calienta a 250C y se alimenta al reactor.El efluente del reactor emerge a la misma temperatura y se enfra a 200C a P = 6MP,condensando el metanol producido. El gas que sale del condensador est saturado con elmetanol: 1% se emplea para vigilar el proceso y el resto se recircula. Se alcanza unaconversin total de CO del 98%. La proporcin de H2respecto al CO es 2 mol de H2/1 mol deCO en todos los puntos del sistema del proceso. Se puede suponer comportamiento de gasideal. Calcule el flujo de metanol que sale del sistema como producto. Podremos aprovechar

el calor de los productos para calentar la alimentacin fresca?

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:vol flow: cum/s mass flow: Kg/sT: C P: MPa

Componentes: CO, H2, CH3OH

Modelo termodinmico:RKS con WS; polar, no electrolito, P > 10bar, ij si.

Diagrama de flujo:

Empezaremos con este problema, tomndolo como un sistema abierto donde solo tenemos elreactor y los intercambiadores de calor, esto para ayudarle al simulador con los clculos ydeterminar la cantidad de producto que sale y ser recirculada por lo tanto, nuestro diagramade flujo quedara de la siguiente forma


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T = 25CvolF = 2.2cuml/smol CO, 0.667 mol H2

P = 6 MPa

T = 250C, 0C

P = 6 MPa

T = 250C0 MPa (no hay cada de presin)

conv = 0.98 de CO

Corremos la simulacin, y los resultados se muestran a continuacin

En esta seccin encontramos el primer inconveniente del problema. El enunciado nosmenciona que a 0C se separan dos fases en el flash, una lquida y una vapor, esto no escorrecto (como se observa en la imagen que la corriente de vapor no tiene nada) debido a que

no es un problema propio de simulacin, sino ms usado con fines didcticos, por tal motivoes momento de encontrar a que temperatura en el flash se formarn dos fases.

En este caso no podemos hacer un anlisis de sensibilidad, debido a que la variable quequeremos calcular no est especificada ni la conocemos, sin embargo, podemos determinar porprueba y error la temperatura a la cual nuestro flash separa dos corrientes.

Despus de muchos clculos por intento y error determinamos que la temperatura adecuada ala cual el flash separa dos fases es 200C como se observa en la imagen, donde la corriente 9ya tiene datos a comparacin con la imagen anterior.

1 B1 y B3 B2


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Continuamos ahora con el separador, nos mencionan que se separa en dos corrientes, dondeuna de ellas es el 10% del total y se toma para muestreo y el resto se recircula. Para larecirculacin necesitamos enfriarla, ya que se mezclar con la alimentacin fresca que est a25C. Nuestro diagrama de flujo luce ahora de esta manera.

Datos de los equipos faltantes:

Split frac = 0.1 de 13 T = 25CP = -0 MPa (no hay cada de presin)

Corremos de nueva cuenta la simulacin y los resultados de las corrientes se muestran acontinuacin.

Donde observamos que en este proceso se obtienen 1.688 kmol/s de metanol.

Continuando con el problema, observamos que en nuestro diagrama de flujo tenemos dosintercambiadores de calor en los cuales tendremos que usar fluido ya sea de enfriamiento ycalentamiento, lo cual implica costos por la energa requerida. Ahora bien, para el segundo

B8 B10


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inciso vamos a usar un intercambiador de calor en el cual se use el calor de la corriente quesale del reactor para calentar la mezcla de alimentacin fresca.

Hacemos el cambio y nuestro diagrama de flujo queda como se muestra a continuacin.

Corremos la simulacin y observamos que la corriente caliente logra enfriarseconsiderablemente a comparacin de la alimentacin fresca como se observa en los resultados.

Ahora comparamos los gastos energticos del inciso anterior con los actuales:

Como observamos en las tablas comparativas en el inciso ase gastan 40,533,497 Watt enlos dos intercambiadores, mientras que en el inciso bgracias al intercambio de calor slo segastan 35,353,428 Watt, lo cual disminuye un poco el gasto energtico.

Consumo energtico delenfriador y calentador del

primer inciso

Calorintercambiado por

el cruce de lascorrientes y

gastado en elsegundo

intercambiador


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2.7.- El propileno se convierte en butiraldehdo y n-butanol en la reaccin en secuencia:

()

( )

Propileno lquido, monxido de carbono e hidrgeno gaseosos se alimentan a un reactor acondiciones normales. Del efluente del reactor se pretende separar el butadieno y el butanol detodos los reactivos. Este reactor opera con una conversin del 45% para la primera reaccin ydel 56% de la segunda.

Una vez que quedan solo dos productos, pasan a otro reactor para donde se adicionahidrgeno en exceso para convertir el butiraldehdo faltante en butanol.

Finalmente esperamos obtener el butanol como producto principal.

Por medio del simulador Aspen Plus desarrolle este problema, de manera que se aprovechen almximo los reactivos y productos para obtener la mayor cantidad de butanol con una purezadel 99%.

Solucin:


Sistema propuesto por el usuario:

mol flow: Kmol/s mass flow: Kg/s T: C

P: atm

Componentes: C3H3, CO, H2, C3H7CHO, C4H9OH.


Wilson; polar, no electrolito, P < 10 bar, ij s.

Diagrama de flujo:

Para comenzar con la simulacin, nos enfocaremos primeramente al reactor y sus dosreacciones, para observar cuanto se produce de lo que necesitamos, ya que no podemosavanzar con las especificaciones de los dems equipos por necesitar los resultados de ste.Nuestro diagrama de flujo queda representado como se observa a continuacin:


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T = 25CmolF = 1000 kmol/s

30% C3H6, 40% CO, 30% H2

T = 25C1 atm

conv = 0.45 conv = 0.56

Corremos la simulacin por primera vez y obtenemos los siguientes resultados.

Observamos que con esas conversiones tan bajas, los productos se obtienen en cantidadesmenores a los reactivos sin reaccionar que salen en grandes cantidades.Continuando con el problema, ste nos menciona que tenemos que separar los reactivos de losproductos, por tal motivo usaremos una columna de destilacin.Para la columna, sabemos los reactivos ( ) son gases, por tanto a condicionesnormales esperamos que salgan por el destilado en una condensacin parcial de vapor, portanto, sumando las cantidades que salen en la corriente 2 de esos reactivos, ponemos estimarque saldrn como destilado 519.9 kmol/s, con un reflujo de 1. Como primera estimacin,propondremos la columna de 15 platos con la alimentacin en la etapa.Corremos nuestra simulacin y en la imagen aparecen los resultados.

B11


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Observamos cmo se separan casi de una manera perfecta los reactivos de los productos (porel domo y el fondo respectivamente).Ahora bien, el problema nos pide que aprovechemos al mximo nuestro reactivos para obtenerla mayor cantidad de butanol posible, as que como paso siguiente es conveniente proponer

una recirculacin de los reactivos que salen por el domo de la torre para que regresen alreactor y reaccionen de nuevo. Por tal motivo, la corriente de reactivos que sale de la columnala mezclamos con la alimentacin fresca con ayuda de un mezclador, haciendo que de stesalga una corriente que ser la que se alimente al reactor.No es necesario dar de alta datos para el mezclador. Por tanto corremos la simulacin yobservamos que ste nos marca error.Por qu?Aspen Plus es un simulador que hace los clculos de una manera progresiva, esto quiere decir,que toma los resultados de la corrida anterior para poder hacer sus nuevos clculos, entonces

en la corrida anterior no haba una recirculacin, y en sta ya la hay, lo que conlleva queaumentar la alimentacin al reactor y cambiarn los productos haciendo que la variableespecificada en la columna de destilacin cambie tambin. Sin embargo, el cambio es muybrusco haciendo que marque errores ya sea en balance de materia o en las fracciones de vapor-lquido que atraviesan las etapas.Una solucin para evitar esto, es hacer que las recirculaciones no sean de todo el flujocompleto, si no que sea de cantidades pequeas y vaya aumentando progresivamente hastallegar a la correcta.Por lo tanto, agregaremos a nuestro diagrama de flujo un divisor, del cual saldrn doscorrientes donde slo una se recircular y comenzaremos a variar la fraccin de recirculacin

desde la ms pequea hasta la ms grande.Podramos hacer un anlisis de sensibilidad para determinar qu fraccin de recirculacin es lacorrecta; sin embargo, si es muy grande caeremos de nueva cuenta en el error anterior.Nuestro diagrama queda como se observa a continuacin.

Nuestro divisor, slo nos pide qu fraccin de lo que entra va a salir por las corrientes, portanto debemos de dar el dato que en la corriente 7 (la recirculacin) se ir el 10% de lo queentra al mismo.


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Corremos la simulacin y observamos que ya no marca errores como anteriormente lo haca.Y tenemos los siguientes resultados.

Se observa que la cantidad de butanol que sale por la corriente 4 aumenta de 75 a 79 kmol/s, locual indica que estamos aprovechando al mximo los reactivos. Ahora bien, observamos queel flujo de reactivos tambin aument de 520 a 550 kmol/s, cantidad que hay que variar en lacolumna de destilacin. Por lo tanto, este es un procedimiento de intento y error. Aumentar lafraccin de recirculacin, y una vez que corra la simulacin cambiar la velocidad deldestilado.Esto se tiene que hacer hasta obtener el resultado correcto de fraccin de recirculacin yobservar que se aprovecharon al mximo los reactivos.Despus de hacer este procedimiento obtenemos que la fraccin de recirculacin es 0.4,despus de esa cantidad ya no puede recircularse nuestro producto, por lo tanto lo restante serpurga del sistema.Los resultados obtenidos son los siguientes.

En la tabla apreciamos como aument el flujo de nuestro producto principal y como sesepararon de manera casi perfecta nuestros reactivos de los productos.Ahora bien, la columna opera de manera correcta, pero Las condiciones de diseo son las

ptimas? Eso slo lo podemos saber con un anlisis de sensibilidad donde las variablesindependientes sern el nmero de platos y la etapa de alimentacin y nuestra variabledependiente ser el flujo de butanol en el proceso.No se ilustrar la forma de dar de alta estos datos, ya que en ejercicios anteriores se expliceste procedimiento.


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Al correr el anlisis notamos que tambin con 8 platos y el no. 4 como etapa de alimentacinse obtiene la cantidad deseada de butanol en nuestra corriente plato. Por tal motivo, ese sernuestro diseo.Ahora bien, ya tenemos simulada la primera parte de nuestro proceso; sin embargo, nos falta

el segundo reactor donde se agrega ms hidrgeno para hacer que el butiraldehdo restante seconvierte en butanol.Los datos del reactor se introducen de la misma manera que con el primer reactor, slo que eneste nada ms ocurre la segunda reaccin con su misma conversin.El diagrama de flujo y los resultados queda como se observa a continuacin.

En esta parte tenemos que trabajar de la siguiente manera que en la seccin anterior. Metemosnuestra mezcla que sale del reactor en otra torre de destilacin donde queremos que por eldomo salgan el hidrgeno y butiraldehdo, por tanto, como flujo de destilado propondremos la

suma de estos dos. La torre opera tambin a 1 atm con una condensacin parcial de vapor(para facilita la salida del H2y del butiraldehdo), con 15 etapas y la alimentacin en la etapa7.

Corremos la simulacin y observamos que s se cumple lo que supusimos (el butanol sali porel domo y todos los dems componentes por el fondo); ahora bien, igual que anteriormentepodemos recircular nuestros reactivos para aprovecharlos al mximo.

El procedimiento a seguir para esto, es el mismo que anteriormente (a prueba y error)corriendo hasta lograr que la mayor cantidad de reactivos sea recirculada para obtener la

mayor cantidad de butanol posible.Una vez que hicimos esto obtuvimos que se puede recircular el 50% de los productos delreactor, y la especificacin que necesitamos para la columna es que por el destilado salgan 140kmol/s.

En la siguiente figura se observa nuestro diagrama de flujo y los resultados de nuestracolumna.


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La corriente por donde sale nuestra columna es la 12.

A continuacin, as como en la columna anterior hay que determinar el nmero de etapas denuestra columna y la etapa de alimentacin con un anlisis de sensibilidad, donde descubrimosque tambin con 8 platos y con la alimentacin en el 4 obtenemos el flujo de butanol quenecesitamos.

Finalmente el problema nos pide una pureza de butanol del 99%.

En la seccin de Set up, damos clicken report optionsy seleccionamos la opcin de fraccinmol.

Corremos de nueva cuenta la simulacin y observamos los resultados.

En la tabla podemos apreciar que se cumple el objetivo de obtener nuestro producto con un99% de pureza. En este caso, esto se logr por las recirculaciones que estuvimos haciendo a lolargo del problema.


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Finalmente se puede concluir que obtenemos un producto de 150.5 kmol/s de butanol con unapureza del 99% de nuestro proceso, en el cual aprovechamos al mximo nuestros reactivospara sacar el mayor producto posible.


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2.8.-Se desea producir ciclohexano a partir de la hidrogenacin del benceno por medio de lasiguiente reaccin.

La reaccin se lleva a cavo a 150C con una conversin del 50% con respecto al benceno.

Se tiene una alimentacin fresca de 5000 kmol/s compuesta por 30% de benceno y 70% de H 2(ambos en fraccin mol) a condiciones normales. Requerimos un producto que tenga unapureza de ciclohexano del 99% para lo cual se le pide que por medio de un simulador deprocesos logre obtener el producto con esa composicin, aprovechando al mximo losreactivos para obtener la mayor cantidad de producto deseado.

Une vez obtenido nuestro producto, se le pide que logre un ahorro en costos por medio de unintercambio de energa al momento de hacer el calentamiento.

Solucin:

Sistema de unidades:Sistema propuesto por el usuario:mol flow: Kmol/s mass flow: Kg/sT: C P: atm

Componentes: C6H6, H2, C6H12


Diagrama de flujo:

Este problema tiene una solucin similar al anterior, por lo tanto, a comparacin de los demsproblemas se le dejar al lector la solucin del mismo, slo se compartirn los diagramas deflujo y los resultados.

Comenzamos simulando el reactor con su alimentacin fresca, as como el calentador que nosllevar nuestra mezcla a la temperatura de reaccin. El diagrama y los resultados son comosigue (El uso del mezclador es debido a que como se vio en el ejemplo anterior se usar ms

adelante).


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Recordemos que los resultados del reactor son necesarios para la separacin. Comenzaremosseparando el hidrgeno de la mezcla, esto lo logramos con una columna de destilacin donde

usaremos condensacin parcial vapor porque el H2es gas y el resto de nuestros componenteslquidos. La especificacin que necesitamos es el flujo del destilado, que en este caso es el quese observa de H2(1250 kmol/s). El diagrama y los resultados se observan a continuacin.

Se observa que todo el hidrgeno se separa de la mezcla saliendo por el domo, mientras quelos otros dos componentes no logran separarse.

Ahora bien, este hidrgeno y parte de benceno pueden recircularse de la misma manera que enejercicio anterior (por el mismo procedimiento de intento y error).

El resultado fue que se puede recircular el 30% de lo que sale de la columna con unaespecificacin en la misma de 2000 kmol/s. los resultados finales de la columna son lossiguientes.


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En los resultados finales de la columna se puede apreciar que como anteriormente se vio, todoel H2sale como destilado, y gracias a las recirculaciones, la mezcla de benceno-ciclohexanoaumenta su flujo por el fondo; sin embargo, no logra separarse.

Esto se debe a que forman una mezcla azeotrpica, para lo cual no puede separarse pordestilacin convencional. (Se intent separar la misma por destilacin en dos columnas a dospresiones diferentes y por destilacin extractiva logrando resultados similares a lo anterior, lo

cual se sugiere al lector compruebe).Esta mezcla es muy difcil de separar por estos mtodos, pero por fines didcticos serseparada por el equipo Sep 2 (usado en anteriores simulaciones), el cual nos separa lo quequeremos tal como lo queremos. Hay que tomar en cuenta que Sep es un mdulo de equipoprovisional que tendra luego que ser reemplazado por el sistema de separacin con el quepueda lograrse esas fracciones de separacin de los componentes de la mezcla a separar.

Queremos que por la corriente del domo salga el benceno, y por la del fondo el ciclohexano,por lo tanto, observando los resultados del reactor sabremos que el flujo que queremos en laparte superior ser el mismo que el flujo de benceno. Y las fracciones que nos pide, queremosque la mayor parte sea benceno, por lo tanto, especificaremos que sale el 99% de benceno,0.05% de ciclohexano y el resto el hidrgeno que qued sobrante.

Corremos la simulacin, y as como con la columna de destilacin repetimos el proceso aintento y error de suponer fracciones de recirculacin hasta llegar a la mxima que se puederecircular.

El diagrama de flujo y los resultados finales son:


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Observamos que la mezcla se separa perfectamente, y con la pureza que requerimos en unprincipio del problema.

Como observamos en la solucin del ejemplo, esta mezcla se separa perfectamente en el sep 2;

sin embargo, recordemos que este equipo no se base en ningn principio ms que el balancede materia, por tanto nos ayud acadmicamente a separar una mezcla muy difcil de separarpor medio de procesos reales.

Para continuar con el problema, se nos pide que aprovechemos la energa obtenida del reactorpara calentar la alimentacin fresca. Por tanto cambiaremos el heater que tenamos en unprincipio por un heatx, el cual nos permitir el intercambio. Muestro diagrama de flujo es elmismo que usamos en la seccin anterior. Y en el intercambiador especificaremos latemperatura que queremos que salga nuestra alimentacin al reactor.

Podemos comenzar a hacer los clculos por proponiendo valores de la temperatura de salidahasta llegar al mximo, observando que el valor mximo que nos puede calentar laalimentacin es de 135C, una cantidad muy buena con respecto a la que queremos llegar.

Ahora bien, como necesitamos llegar a 150C, el resto del calor se lo daremos con un heater.

Corremos la simulacin y observamos los resultados energticos de los heaters.

Los resultados de la derecha son del heaterque nos ayuda a calentar nuestra alimentacin de25 hasta 150C. Se observa que el consumo energtico es demasiado comparado con elsegundo que es del heaterque nos ayuda a calentar despus del intercambio ocurrido con lacorriente caliente de salida del reactor con la corriente de alimentacin.


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Por tal motivo, en este proceso un intercambio de energa hace ms econmico el proceso decalentamiento que utilizar desde un principio el servicio.


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Antologa de Simulacin de Procesos en Ingeniera Qumica Procesos de separacin

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3. Procesos de separacin

3.1.- Una corriente que contiene 68.5wt% de etileno con un flujo total de 7.3 millones lb/da esalimentada a una columna de destilacin de 125 etapas. Se desea producir una corriente deproducto destilado que contenga un mnimo del 996wt% de etileno, con un flujo total de 5

millones lb/da. Tambin se desea que el producto de fondo contenga no ms de 0.01wt% deetileno. Determine si esta separacin es factible.

Solucin:

Sistema de unidades:ENG:mol flow: lbmol/s mass flow: lb/hT: F P: psig

Componentes: C2H4, C2H6


Diagrama de flujo:

En este problema solo se requiere de un solo equipo, una columna de destilacin el cual seobserva a continuacin.


P = 350 psig

Vap fracc = 1Mass flow = 7300000 lb/da31.5% etano, 68.5% etileno (masa)

N = 125

dist feed ratio = (5/7.3)*10

6

= 0.684932 massR = 4PA = 90

P = 300 psig

Con estos datos corremos nuestra simulacin y obtenemos los siguientes resultados

B11


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En estos resultados observamos que se obtienen las fracciones msicas que requiere elproblema; 99% de etileno en el destilado y menos del 0.01% de etileno en el fondo, por talmotivo podemos concluir que esta separacin si es factible de realizarse.


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3.2.- Se desea absorber amoniaco de una mezcla diluida con aire en una columna de relleno deanillos rashing dispuestos al azarLa columna funcionar en contracorriente a una presin absoluta de 1 atm y a una temperaturade 20C.A la entrada de la columna, la concentracin de amoniaco es de 10 moles por cada 100 molesde aire, y se deber recuperar el 99% del amoniaco entrante.En la parte superior de la columna se alimenta agua pura con un caudal 20% superior al caudalde agua mnimo.Calcular el flujo de agua que se alimenta a la torre.

Solucin:


METCBAR:

mol flow: Kmol/h mass flow: Kg/h T:

C P: bar

Componentes: agua, aire, NH3


Wilson ; polar, no electrolito, P < 10 bar, ij si, ll

no.

Diagrama de flujo:

El block B1 es una torre de absorcin la cual en aspen se escoge como ABS 1 como seobserva en la imagen


T = 20CmolF = 100 Kmol/h

P = 1,013 bar

T = 20 Cmass f = 110 kmol/h

P = 1,013 bar

10 kmol/h deNH3100 Kmol/h de Aire

AGUA AIR-NH3


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calc type = eqN = 15

Rev = noneVal phase = V-L

Cond = noneP = 14.7 psia

PA = 1 y 20

NOTA: Estos datos son tomados como la primera iteracin con los cuales correremos lasimulacin para poder hacer los clculos pertinentes para encontrar los correctos. Se omitenlos resultados obtenidos aqu ya que no son los correctos.Hacemos un anlisis de sensibilidad donde nuestra variable independiente es el flujo de agua(vary) y nuestras variables dependientes son el nmero de etapas y el contenido de amoniacoen la corriente rica en agua (que absorbe el amoniaco). Lo que pondremos a tabular en dichoanlisis es el nmero de etapas y la relacin amoniaco disuelto en el agua / amoniaco entrante.Los resultados se observan en la siguiente imagen.

Observamos que con 10 etapas y con un flujo de 260 kmol/h de agua se obtiene unarecuperacin de 99% del amoniaco. Esto es el mnimo flujo de agua necesario para que estarecuperacin se obtenga.Ahora corremos la simulacin con estos datos obtenidos del anlisis y se observan losresultados a continuacin.

B1


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Ahora, el problema nos indica que se alimenta el 20% ms del mnimo de agua, por tanto poruna regla de tres obtenemos que el flujo de agua que debemos alimentar es de 312 kmol /hFinalmente corremos de nuevo la simulacin con estos datos y comprobamos que con esteflujo se obtiene un poco ms del 99% de recuperacin del amoniaco.

Ahora veamos otro ejemplo sencillo y parecido de absorcin.

Ha de recuperarse por absorcin el amoniaco contenido en una mezcla de amoniaco-aire, conuna riqueza en este ltimo del 12%. Para ello se lavar a en contracorriente con agua en unacolumna de absorcin a 1 atm de presin.

Mediante una refrigeracin adecuada se consigue que la temperatura permanezca a 20C a lolargo de la columna. La columna ha de proyectarse para conseguir una recuperacin del 96%.Se utilizar una velocidad msica gaseosa de 3670kg/h

a) Calcular la velocidad msica de agua requerida para llevar a cabo tal absorcin.

Solucin:


METCBAR:mol flow: Kmol/h mass flow: Kg/hT: C P: bar

Componentes: agua, aire, NH3

Modelo termodinmico:Wilson ; polar, no electrolito, P < 10 bar, ijsi, ll no.


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Diagrama de flujo:

El block B1 es una torre de absorcin la cual en aspen se escoge como ABS 1 como seobserva en la imagen


T=20CMF =

1000Kg/h

P = 14.7 psia

calc type = eq Rev = noneCond = none

N = 15 Val phase = V-L

PA = 1 y 20P = 14.7 psia

T=20CMF =

3670Kg/h

P = 14.7 psia

NOTA: El flujo de agua y el no. de etapas son considerados como la primera suposicin paracomenzar a hacer los clculosCorremos la simulacin y observamos que con 1000kg/h de agua, no se obtiene la

recuperacin del 96% de NH3, por tanto, es necesario hacer un anlisis de sensibilidad.S-1 (Anlisis de sensibilidad)

VaryVariable de corriente, AGUA

DefineNH3, mass flow, stream = 4, component =

H3NTabulate: NH3/272.574

MASS FLOWlower = 1000

upper = 10000salto = 1000

NH3-AIREAGUA B1


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Pedimos al anlisis de sensibilidad que nos tabule la relacin de NH3/272.574, ya que comosabemos queremos obtener una recuperacin del 96% del amoniaco, entonces al hacer estoestamos dividiendo el flujo de amoniaco que sale por esa corriente entre el total que entra a lacolumna para obtener un resultado directo de la recuperacin en el anlisis de sensibilidad.

En la figura se observa los resultados obtenidos del anlisis con el salto establecido, y con untamao de salto ms pequeo para mayor exactitud.

Se observa que un flujo de agua de 6170 kg/h nos da la recuperacin de amoniaco quenecesitamos de 96%.

Una vez que se tienen las especificaciones correctas podemos correr de nueva cuenta el

simulador y observarlos resultados.

Como se demuestra en la imagen, la recuperacin del amoniaco es de 96%

Rec = 15.3653/16.0026 = 0.9601


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3.3.- Una alimentacin de 24,000 kg/h de 20mol% de etanol y 80mol% de agua debe serseparada. La corriente del producto requiere un 99mol% de etanol con una velocidad de flujode al menos 7,500kg/h. Esta separacin debe se logra mediante el uso de cambio de presin enla destilacin.Empezamos creando un diseo de dos columnas de separacin. Reportaremos para cadacolumna: presin de operacin, nmero de etapas, relacin de reflujo, y especificaciones depureza y recuperacin. Tambin reportaremos una tabla con las velocidades de las corrientes ycomposiciones de las corrientes relevantes. Es necesario realizar recirculaciones para lograrestos resultados.

Solucin:

Sistema de unidades:METCBAR:

mol flow: lbmol/h mass flow: lb/hT: F P: psig

Componentes: etanol, agua.

Modelo termodinmico:NRTL-RK; polar, no electrolito, P < 10 bar,ij si, ll si.

Diagrama de flujo:

Este problema tiene una variante a comparacin con el resto de los que hemos resuelto a lolargo de esta antologa, ya que como podremos notar, el enunciado nos menciona que tenemosque hacer un arreglo de dos columnas a diferentes presiones, las cuales desconocemos. Pero

por nuestros conocimientos de termodinmica, sabemos que esta mezcla forma un azetropoel cual nos dificulta su separacin. Para determinar las presiones adecuadas de operacinrealizaremos lo siguiente.Ya tenemos nuestro modelo termodinmico que ms se adeca a nuestro sistema,seleccionamos los parmetros de interaccin de NRTL-1 localizados en la seccin de binaryinteraction.Concluido esto es momento de hacer un anlisis binario (donde observaremos las grficas defraccin de lquido-vapor vs temperatura donde podremos ubicar nuestro azetropo).El anlisis binario lo activamos al seleccionar el cono que se observa en la figura. Al dar clicken este cono observaremos una pantalla en la cual podremosseleccionar el tipo de anlisis que queremos realizar as comotambin tendremos la opcin de introducir varias presiones alas cuales queremos que sorra nuestro anlisis las cuales sernde 0.1, 1, 10 y 100 bar.Solo es necesario llenar esos datos como se observa en laimagen.


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Corremos nuestro anlisis y unavez hecho esto escogemos laimagen que nos permite obtenerlas grficas x-y de nuestroscomponentes.Una vez hecho estoobservaremos las grficas quese muestran a continuacin.

Observamos que a la presin de 100 bar no sealcanza la composicin de 99% que necesitamos,por tal motivo la descartamos y buscamos unamenor que 100 pero mayor que 10, ya queobservamos que conforme disminuye latemperatura el azetropo se va acercando mshacia el 99% sin llegar a l.Seleccionamos ahora una presin de 20 bar a lacual hacemos de nuevo el anlisis.Acercamos nuestra grfica y se observa lo

siguiente.

En la grfica de la izquierdaobservamos el punto del azetropo alas dos diferentes presiones, donde a0.1 bar es aproximadamente a95%mol de etanol y a 20 bar esaproximadamente a 0.77%mol deetanol.Por lo tanto si escogemos estas dospresiones para nuestras columnas dedestilacin lograremos mejorarnuestra separacin obteniendo altaspurezas.


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Una vez que ya tenemos las presiones de operacin de nuestras columnas procedemos a hacernuestro diagrama de flujo como se observa a continuacin, sin embargo comenzaremosmodelando las columnas de una por una.

En este caso pusimos un mezclador ya que como sabemos el destilado de la columna dos serrecirculado a la columna 1, por tal motivo agregaremos esa corriente para evitarnos problemasde balance de materia ms adelante.


T = 65 C

P = 1.5 barMass flow = 24000 kg/h20%mol etanol, 80%mol

agua

T = 65 C

Los datos de esta corriente son estimaciones

o por llamarlas primeras iteraciones, solo repre-sentativas para poder comenzar a hacer clculos yevitar errores de balance de materia ms adelante

T = 75 CP = 1.2 bar

Mol flow = 125 Kmol/h20%mol etanol, 80%mol agua

N = 30COND = Parcial vaporConverg = azeotropic

R = 4PA = 25

P = 0.1 bar

Dist to feed rat = 0,2

Con estos datos de entrada corremos nuestra simulacin y obtenemos los siguientes resultadosen la columna 1.

M1

COL 1

FEEDFRES RECUP


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En estos resultados observamos las purezas obtenidas en la columna 1 la cual como supusimosen nuestro diagrama x-e iba a a ser bajo. Por tal motivo, es necesario establecer unaespecificacin de diseo para aumentar nuestra recuperacin y nuestra pureza.

Las especificaciones de diseo las introducimos en la seccin de design spect que se observadentro de las opciones a introducir en la columna de destilacin.

La forma de introducir los datos es como si hiciramos unanlisis de sensibilidad.

Introducimos los datos de nuestra primera especificacin de la

siguiente forma:

Type = mole purity componente = etanolTarget = 0.9 Stream = D1

Product

Ahora para la recuperacinType = mole recovery componente = etanolTarget = 0.9 Stream = D1Product

Y variaremos la relacin de reflujo de 1 a 10 y la relacin de destilado/alimentacin deCon estos datos de entrada corremos nuestra simulacin y obtenemos los resultados que semuestran.Nota. Si la simulacin marca error es necesario que aumente la convergencia de los clculos a100 iteraciones o las iteraciones que sean necesarias para que lo resuelva.


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Con las especificaciones de diseo especificadas observamos como ahora s se cumplen laspurezas requeridas en la primera columna.Una vez que ya tenemos la primera columna, procedemos con la segunda no olvidando quecomo aumenta la presin, necesitamos de la ayuda de un cambiador de presin en este caso uncompresor para aumentarla. El diagrama de flujo queda como se observa.

Datos de entrada de los equipos faltantes.

N = 75COND = Parcial vapor

Converg = azeotropic

R = 5PA = 20

P = 20 bar

Dist to feed rat = 0,5

Isentropic

P de desc = 20 bar

Con estos nuevos datos de entrada corremos de nueva cuenta nuestra simulacin y podemosobservar nuestros resultados a continuacin.

COL 2 COMP


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Como observamos de nueva cuenta, no logramos la pureza del 99% que requerimos ahora enel fondo que es el producto de este problema (etanol). Por tal motivo de nueva cuenta haremosuso de las especificaciones de diseo para lograrlo.En este caso requerimos una pureza de etanol del 99%en el fondo y una pureza de 80% en eldomo variando la relacin de alimentacin/destilado de 0.45 - 0.55 y variando tambin larelacin de reflujo de 1 a 15.Corremos la simulacin y observamos que los resultados ya son los que requerimos de purezaen las dos corrientes.Ya que tenemos esto resulto como queremos es momento de recircular la corriente D2 yaplicar las especificaciones de a las corrientes que ahora representan las que habamosespecificado anteriormente.Corremos la simulacin de nueva cuenta y observamos los resultados finales a continuacin.

En la tabla anterior se observa que logramos las purezas que requerimos en las dos columnas dedestilacin. Por tal motivo podemos concluir que esta mezcla aunque es azeotrpica puede ser

separada usando diferentes presiones para romper el azetropo.


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3.4.- Una corriente que contiene 68.5%wt de etileno y 31.5%wt de etano con un flujo de 7.3millones de lb/da debe ser separada. Reporte un punto de inicio razonable para un diseo msdetallado incluyendo una estimacin del nmero de etapas tericas y una velocidad de reflujorequerida para llevar a cabo una separacin del 99.9% de recuperacin de etilenoy 99% derecuperacin de etano.

Solucin:

Sistema de unidades:Para este problema comenzaremos abriendo Apen Plus y abrir un archivo nuevo pero tomandouna plantilla de Chemical Processes llamada Chemicals with English Units .

SI:mol flow: lbmol/h mass flow: lb/h T: F P: psig

Componentes: etano, etileno. Modelo termodinmico:Peng Rob; todos no polar, real.

Diagrama de flujo:

En este problema, nuestra separacin la haremos con un equipo denominadoDSTWU el cual usa ecuaciones basadas en la teora pero son semi-empricas para estimar laseparacin. Contiene ecuaciones como la ecuacin de Winn la cual es una modificacin de la

ecuacin de Fenske es utilizada para estimar el nmero mnimo de etapas tericas, la ecuacinde Underwood que es usada para calcular la relacin de reflujo mnima y la ecuacin deGuilliland que es usada para calcular la relacin de reflujo requerida en un nmero de etapasespecficas, o el nmero de etapas a una relacin de reflujo especificada. En pocas palabraseste equipo hace clculos sencillos basados en las ecuaciones de FUG.El diagrama de flujo queda como se muestra a continuacin.


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Vap. Frac = 1

P = 350 psigMass flow = 7.3*106lb/da31.5%mol etano, 68.5%mol etileno

N = 30

light key = etileno; recovery 0.99heavy key = etano, recovery 0.01P = 300 psig

Con estos datos de entrada corremos nuestra simulacin obteniendo los siguientes resultados.

Observamos que se cumplen las purezas que requerimos desde unprincipio. Ahora podemos crear un perfil de de relacin de reflujocontra nmero de etapas. Esto lo hacemos justo donde introducimos

los datos de la columna en la seccin de calculation options.Seleccionamos la opcin de generar tabla de relacin de reflujocontra nmero de etapas tericas variando el nmero de etapas de 10a 75 con incrementos de dos unidades.Corremos de nueva cuenta nuestra simulacin y los resultados semuestran a continuacin los cuales podemos encontrar en la seccinde reflux ratio profile en los resultados de la columna.Observamos que a menor nmero de etapas hay mayor relacin dereflujo y visceversa. Por tal motivo podemos decir que para estacolumna es mejor un nmero de etapas alto, ya que una relacin de

reflujo alta implica mayores costos continuos a iniciales.

Finalmente podemos observar los resultados para esta columna loscuales nos dicen que un R mnimo de operacin es de 3.72 y elnmero de etapas mnimo es de 32 entre otros datos que pueden serde utilidad.

FEED COL


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3.5. El siguiente problema nos ayuda a definir cules son las limitaciones de una columna dedestilacin que slo hace clculos cortos y lo observaremos con dos problemas muy sencillos.Se quiere separar una mezcla de n-butano y buteno que se alimenta a una columna dedestilacin. La alimentacin es de 100kmol/h equimolar, con una fraccin de vapor de 0,5 yuna presin de 1 bar. La columna tiene una relacin de reflujo de 2 y se pretende obtener undestilado con el 99% de n-butano.

Solucin:

Sistema de unidades:METCBAR:mol flow: Kmol/h mass flow: KG/hT: C P: bar

Componentes: n-butano, buteno

Modelo termodinmico:Peng Rob; todos no polar, real.

Diagrama de flujo:

Usaremos equipo denominado DSTWU. El diagrama de flujo con las corrientes queda de lasiguiente manera


Vap. Frac = 0.5

P = 1 barMol flow = 100 kmol/h

50%mol butano, 50%mol buteno

R = 2

light key = n-butano; recovery 0.99heavy key = buteno, recovery 0.01

P = 1 bar

FEED COL


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Corremos nuestra simulacin con los datos que introducimos. Al hacerla notamos que sta nosmarca error. A pesar del error, tenemos la opcin de ver los resultados de la columna, abrimos

los mismos y aparecen a continuacin.

Este error lo marca debido a que como observamosla relacin de reflujo propuesta por el problema (2)es menor a la relacin de reflujo mnima que senecesita para llevar a cabo esta separacin (13.09).

El simulador tambin calcul la relacin de reflujoque sera la correcta para este problema en especialla cual es de 26.18. as como otros datos quepodemos observar como nmero de etapas, platode alimentacin, etc.

En el ejemplo de a continuacin observaremos otra peculiaridad de este tipo de columnas.

Se quiere separar una mezcla de etanol-agua que se alimenta a una columna de destilacin. Laalimentacin es de 100kmol/h equimolar, con una fraccin de vapor de 0,5 y una presin de 1bar. La columna tiene una relacin de reflujo de 2 y se pretende obtener un destilado con el

99% de etanol.

Como observamos el problema es exactamente igual al anterior con la nica diferencia quecambian los componentes y por ende el modelo termodinmico.

Se dejar al lector la simulacin de este repitiendo el mismo procedimiento y usando elmodelo UNIK-RK (se sugiere que antes de definir este modelo averige el motivo de usarloaqu).

Una vez que se corre de nueva cuenta la

simulacin notamos de nueva cuenta que nosmarca error. Revisamos de nueva cuenta losresultados.

Notamos en estos resultados que el errorprincipal que se nota es que el nmero actual deetapas y el nmero de etapas mnimas que nos


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calcula es negativo, cosa imposible de suceder en la realidad.

Otro motivo para determinar el error debe ser que sta es una mezcla azeotrpica la cualrequiere da clculos ms rigurosos para poder lograr unaseparacin y mnima.

Como observamos en estos dos problemas, la conclusin a la que podemos llegar es que stacolumna con clculos simples nos da una limitacin en ciertos clculos avanzados como eneste tipo de mezclas donde las volatilidades relativas son cercanas. Para este tipo de mezclascomplejas es necesario que usemos clculos ms rigurosos.

A continuacin, vamos a usar los resultados obtenidos de nuestro primer ejemplo mencionadoaqu (separacin de la mezcla butano-buteno) para volverlo a simular pero ahora en el segundotipo de columna de Aspen plus denominada DISTL.

sta columna realiza sus clculos en base al mtodo de Edmister para obtener lascomposiciones en base a un nmero de etapas y una relacin de reflujo dada.

El enunciado del problema es el mismo con la diferencia que los datos de entrada de lacolumna los tomaremos de los datos de salida del ejemplo anterior.

El diagrama de flujo es idntico recordndole al lector que el modelo de simulacin aseleccionar ahora es el DISTL.


Vap. Frac = 0.5P = 1 bar

Mol flow = 100 kmol/h50%mol butano, 50%mol buteno

N = 83PA =46

R = 26.18D/F = 0.5P = 1 bar

Corremos la simulacin y obtenemos los siguientes resultados energticos de la columna sonsimilares a los de la columna en que hicimos los clculos anteriores.

Ahora bien, si observamos los resultados de lascorrientes, nos daremos cuenta que en esta simulacinno logramos la pureza que necesitamos en nuestro

destilado, solo logramos una fraccin mol de

FEED COL


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butano del 97% como se observa en la imagen de la siguiente pgina.

En el caso de esta columna no podemos mejorar nada para nuestra separacin, es por eso queahora usaremos la columna que nos permite por medio de clculos rigurosos obtener elresultado que deseamos.

Eliminamos la columna que tenemos de nuestro diagrama y en su lugar ponemos unaRaDFrac. El diagrama es similar al anterior, solo cambia la manera de introducir los datos.

Datos de entrada de la nueva columna:

N =83 R = 26.18 rev = kettleCond = total PA = 46

Dist rate = 50 kmol/h P = 1 bar

Antes de correr nuestra simulacin agregaremos especificaciones de diseo extras que nospermitirn lograr la pureza que queremos. Para esto es necesario que entremos a la seccin dedesign specifications dentro del men me la columna que tenemos.Creamos una nueva especificacin que llamaremos 1Type = mole purity components = n-butano stream = D

Target = 0.99 base components = seleccionamos ambos

Tambin crearemos un vary el cual nos dir que es lo que queremos variar en este caro larelacin de reflujo, lo llamaremos 1 tambinType = reflux ratio low = 1 up = 200

COL

5/20/2018 Antologa de Ejemplo

Antología de Ejemplos de Simulación de Procesos

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