7/24/2019 Simulacin en ASPEN de un sistema de destilacin

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COMPARISON BETWEEN EQUILIBRIUM AND RATE BASED MODELS FOR A

DISTILLATION COLUMN IN ASPEN PLUS.

Comparacin entre los modelos de equilibro y no equilibrio para una columna de destilacin en

aspen plus.

Edwin Chingat, Jess Jaime

Abstract

This paper has the objective show the analysis of distillation column in aspen plus, using own

simulator`s tools for columns as equilibrium and rate based model, the equilibrium model propose

that the streams leaving each plate are in equilibrium, while the rate based model calculated the

efficiencies for each component and plate. The efficient depend of flows, plate type, hydraulic and

other variables. A mixture of methanol, ethanol and water system was used as feed to distillation

column obtaining four out-streams. After of realized the simulation can observe that the separations

efficiency depend majorly of the system and no the others variables as diameter column, plate type,

plate configuration.

Resumen

Este articulo tiene como objetivo principal el anlisis de una columna de destilacin usando dos

herramientas muy importante del simulador, como el anlisis de la columna por el mtodo de

equilibrio y basado en la velocidad, el primero propone que las corrientes que abandonan cada plato

lo hacen en equilibrio mientras que el segundo, calcula las eficiencias de cada plato y por

componente con lo cual se acerca ms al funcionamiento real de una torre de destilacin, la

eficiencia depende de los flujos, tipo de plato, hidrulica entre otras. La alimentacin consta de una

corriente de metanol, etanol y agua obteniendo cuatro corrientes de salida de la torre. Despus de

realizada la simulacin se pudo observar que la eficiencia del proceso depende mayoritariamente

del sistema (los componentes) y no de las variables anteriormente mencionadas.

Key words. Distillation, column, Aspen plus, rate based method, equilibrium.

Palabras clave. Destilacin, columna, Aspen plus, Mtodo basado en la velocidad, equilibrio.

Introduccin.

El metanol es un solvente de alta demanda, materia prima para productos producidos en grandes

cantidades como el formaldehido e incluso combustible en varios campos. Es as como el metanol

destaca como una sustancia verstil demandada en una amplia gama de industrias.

Por otro lado para sintetizar el metanol se hace reaccionar gas natural o hidrocarburos livianos con

vapor de agua para producir gas de sntesis que luego reacciona a altas temperaturas llegando alproducto deseado, sin embargo, dicho metanol se obtiene como parte de una mezcla en la que los

principales componentes son el agua en exceso que se dispuso inicialmente con el gas natural y algo

de etanol como producto secundario en la reaccin del gas de sntesis.

Descripcin del problema.

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Se platea el modelamiento y anlisis de una torre de destilacin mediante del modelo de equilibrio y

no-equilibrio, realizando una comparacin de diversas caractersticas de la torre como composicin

de los flujos, flujos, temperaturas entre otras.

Alimentacin

compuesto Fraccin msica

Metanol 0,798Etanol 0,002

Agua 0,2

Tabla 1. Composicin msica de la corriente de alimentacin a la torre.

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Se van a manejar las siguientes condiciones para las corrientes y la columna

Tipo de codensador Total

Rehervidor Kettle

Carga rehervidor 55 MMCal/h

Salida destilado 3 kg/h

Corriente lateral plato 4 78500 kg/hCorriente lateral plato 66 1500 kg/h

Presin condensador 1,3 bar

Cada presin condensador 0,2 bar

Cada presin columna 0,4 bar

Numero de platos 78

Tipo de plato Vlvula

Altura rebosadero 0,015 m

Dimetro columna 5,4 m

Tabla 2. Parmetros usados para modelar la torre de destilacin.

Resultados.

Se observ que los perfiles de composicin en la torre modelada con base en las velocidades de

transferencia de calor y masa eran muy similares a los perfiles en la torre modelada como si se

alcanzara el equilibrio en cada plato, lo que se puede interpretar como que la eficiencia dentro de la

primera torre es muy cercana a la unidad y muy similar en todos los platos.

Figura 1. Composicin msica fase liquida vs etapa.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1 3 5 7 9 1113151719212325272931333537394143454749515355575961636567697173757779

Fraccinmasica

Etapa

Composicin vs etapa

metanol-Eq Agua-Eq Etanol-Eq

Agua-No-Eq Metanol-No-Eq Etanol-No-Eq

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La eficiencia en un plato depende del grado de mezcla que se logra en dicho plato y de las

caractersticas de las sustancias que se relacionan en el plato definidas en la eficiencia cuando existe

mezcla perfecta en el plato (Treybal, 1997). El grado de mezclado depende del diseo del plato y

de los flujos que dicho plato recibe, uno de los parmetros ms importantes en la cuantificacin de

dicha mezcla es el nmero de Pclet, de tal manera que en la simulacin se cambi el plato, se

probaron diferentes tamaos, se cambiaron los flujos que entran y salen de la torre y no se encontr

una variacin apreciable en la eficiencia de la torre, es decir, segn la definicin del nmero de

Pclet:

=2

Siendo Z, t y De el espesor promedio del lquido que escurre en un plato, el tiempo que pasa tal

liquido en el plato y la difusividad de remolino que se logra en tal lquido, respectivamente.

Si al variar las caractersticas del plato (Z, t) Pe no vara mucho y no tiene un efecto significativo

sobre la eficiencia del plato, puede ser debido a dos fenmenos: la difusividad de remolino supera

ampliamente en magnitud a la relacin entre el tiempo que permanece el lquido y la distancia que

debe recorrer en el plato o el efecto del grado de mezclado es despreciable frente a lascaractersticas de las sustancias, es decir, puede que en el plato ya se alcanza un muy buen

mezclado por las propiedades de transporte de las sustancias involucradas, por ejemplo, el metanol

tiene una viscosidad muy baja lo que favorece su movilidad en el plato y aplicando partiendo de las

analogas entre los fenmenos de transporte explica la primera posibilidad.

Figura 2. Eficiencias por componente y plato obtenidas por el mtodo de rate based.

Por la curva de equilibrio entre el metanol y el agua se espera que la mayor resistencia a latransferencia de masa este en la fase liquida, en ese sentido, para validar el hecho de que es la

naturaleza de las sustancias que se quieren separar en esta torre lo que explica la alta eficiencia se

simulo la operacin con un alimento diferente, con una menor proporcin de metanol, y tal como se

esperaba de los resultados de los cambios en el plato, es la viscosidad del metanol la que hace la

torre tan eficiente, no solo por facilitar su movilidad en el plato tambin desde el punto de vista de

la transferencia de masa, basta con observar las correlaciones que presenta Treybal en la pgina 205

para notar la relacin inversa con el nmero de Schmidt que a su vez tiene una relacin directa con

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

2 8 14 20 26 32 38 44 50 56 62 68 74

Eficien

cia

Etapa

eficiciencia vs etapa

Agua Etanol Metanol plato

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la viscosidad. As mismo, en el los diferentes platos de la columna simulada existes una pequea

variacin en la eficiencia que coincide con el perfil de composiciones.

Tal y como se mencion anteriormente los perfiles de composicin de las dos simulaciones iniciales

son muy similares, pero an conservan diferencias que se pueden identificar rpidamente, por lo

que para aproximar ambos modelos se propuso hacer uso de la eficiencia promedio (0,855) en la

torre calculada con las velocidades de transferencia en la torre basada en el equilibrio anlogo a laconstruccin grfica de la lnea de pseudo-equilibrio. Comparando los nuevos resultados solo se

puede identificar una discrepancia en el perfil correspondiente al etanol, en gran medida debido a

sus diferencias con el metanol y el agua, y en particular su viscosidad por lo discutido anteriormente

en el caso del metanol, es decir, si la alta eficiencia es debida en gran medida al metanol, al usar

este resultado para el etanol se estn sobre estimando sus propiedades de transporte.

Figura 3. Velocidad de transferencia de masa en la interfaz contra etapa.

Conclusiones.

Se justifica el uso de una eficiencia de plato igual para todos los platos si se le atribuye

mayoritariamente a un componente.

Una mnima reduccin en la exactitud del clculo justifica una gran disminucin en los tiempos de

clculo

Bibliografa

Gil, I., Guevara J., Garca J., Leguizamon A., Anlisis y Simulacin de Procesos en Ingeniera

Qumica. Primera edicin. Editorial Universidad Nacional, 2011.

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2 7 12 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77

velocidaddet.demasa(km

ol/h))

Etapa

transferencia de masa vs etapa

Etanol Metanol Agua