Metodos Cortos Y Metodos Rigurosos.docx

METODOS CORTOS Y METODOS RIGUROSOS. La destilación es un proceso en el cual una mezcla de dos o más componentes se separa teniendo en cuenta los diferentes puntos de ebullición, o también se puede dar a conocer por la volatilidad de las sustancias, y para conocer el comportamiento que las sustancias tienen en estas torres de destilación se estudiaron los modelos matemáticos, los cuales pueden ser coros, semi rigurosos, rigurosos y modelos de reducción de orden. A continuación, se dará a conocer el comportamiento de una mezcla que contiene propano, isobutano, nbutano, isopentano, npentano, hexano, heptano, octano y nonano por medio de método corto como lo es FUG y métodos rigurosos como lo son el uso de las columnas en ASPEN de DSTWU, DISTIL, y RADFRAC.

Ilustración 1. Proceso de separación en proceso de destilación

Para evaluar estos comportamientos con dicha mezcla, se darán a conocer tres casos diferentes, en los cuales se verá un cambio en los componentes claves y ligeros de las destilaciones:

Ilustración 2. Casos de estudio

En donde es necesario tener en cuenta que para hallar el comportamiento de la torre de destilación se debe dar a conocer especificaciones como lo son la temperatura, la presión (u otras variables del flujo de alimentación como lo son la entalpía o entropía de las sustancias), el flujo de alimentación y la composición completa del destilado y residuo; y como no siempre este se da a conocer, se puede

determinar por medio de un balance de materia, en donde se especifiquen los componentes clave (los cuales son aquellas sustancias en la cuales se especifica su separación), siendo el más volátil el clave ligero y el otro el pesado1. Estos dependen de lo que se desee obtener en la destilación. 1. Método FUG El método de FUG es un método corto/aproximado el cual se usa para hallar el número de mínimo de platos (ecuación de FENSKE), el reflujo mínimo (ecuación de UNDERWOOD) y el número de platos y reflujo operativo (ecuación de GILLILAND). Dichas ecuaciones son: 

Ecuación de Fenske:

𝑁𝑚𝑖𝑛 

𝑥𝑏𝑗 𝑥 log (𝑥 𝑑𝑖 ∗ 𝑥 ) 1 𝑑𝑗 𝑏𝑖 = 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑖 = 𝐿𝐾 𝑗 = 𝐻𝐾 𝛼𝑚 = (𝛼𝑖𝑗 ∗ 𝛼𝑖𝑗 )2 → 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 log(𝛼𝑚 )

Ecuación de Underwood: 𝑛

∑ 1

𝑥𝑓 𝐿̿ − 𝐿 = 1 − 𝑞 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑞 = 𝛼𝑖 , 𝑟 − 𝜃 𝐹 𝛼𝑖,𝑟 𝑛

∑ 1



𝑥𝐷 𝐿 =( ) +1 𝛼𝑖 , 𝑟 − 𝜃 𝐷 𝑀𝐼𝑁 𝛼𝑖,𝑟

Ecuación de Gilliland: Ya que esta es la combinación de Fenske y Underwood, ya que provee una relación entre estas dos, se ha de usar unas graficas específicas que ayuden a determinar el número de platos teóricos y el reflujo teórico.

Realizando los casos por este método se da a conocer que: A) CASO UNO

1

http://iq.ua.es/MetAprox/32_balance_preliminar_de_materia_y_seleccin_de_componentes_clave.html#compon entes

En donde teniendo en cuenta las tablas dadas por el libro y las ecuaciones presentadas anteriormente, se muestran los siguientes resultados:

B) CASO DOS

En donde teniendo en cuenta las tablas dadas por el libro y las ecuaciones presentadas anteriormente, se muestran los siguientes resultados:

C) CASO TRES

En donde teniendo en cuenta las tablas dadas por el libro y las ecuaciones presentadas anteriormente, se muestran los siguientes resultados:

2. Métodos rigurosos. Teniendo en cuenta que estos métodos se realizaron en ASPEN, se siguieron los siguientes pasos: a) Se anexan en el programa cada uno de los componentes de los casos que se van a usar:

b) Se elige el método que se usará, y teniendo en cuenta el diagrama del árbol, el cual se realizó de la siguiente manera A. Todos los compuestos aquí presentes son apolares; teniendo en cuenta que un compuesto es polar cuando todos los átomos son diferentes y su diferencia de electronegatividad es cero, o cercana a esta, como por ejemplo el benceno, ya que, por ser totalmente simétrico, su diferencia de electronegatividades es cero. B. Se toma como suposición que los componentes no son puros, ya que se deduce que todos entran en una sola corriente como una mezcla y además de esto todos tienen puntos de fusión y ebullición distintos, y se pueden mezclar entre sí. Teniendo en cuenta lo anterior, el diagrama sigue los siguientes pasos:

Todos son no polares

Real

PengRobinson, Redlisch-K-S, Lee-KeslerPlocker.

Evaluando cada uno de los métodos, se puede dar a conocer que el método más viable es peng-Robinson gracias a que otorga precisión y sencillez a la hora de resolver un problema. Además de esto hay que tener en cuenta que la diferencia de electronegatividades no dio exactamente igual a cero, por tanto, los otros métodos para la solución de un problema cuando son hidrocarburos es usar Peng-Robinson.

c) Se realizó un diagrama TXY para observar cómo se comportan las sustancias de forma binaria, como mezcla y se dieron a conocer las curvas residuales:

Diagramas residuales teniendo en cuenta el nbutano, isopentano y n pentano

De ambas gráficas se da a conocer que la mezcla es fácil de separar ya que no tiene azeótropos. Pero también es de observar que para la realización de dichas graficas no se pueden realizar teniendo en cuenta todos los componentes de la mezcla ya que el diagrama TXY está diseñado para hacerse con una mezcla de dos sustancias (ASPEN) y las curvas residuales se basan en una mezcla ternaria (tres componentes). d) Se realiza la simulación para cada caso teniendo en cuenta que se evalúan las columnas DSTWU, DISTIL y RADFRAC: I. COLUMNA DISTL Para realizar los análisis correspondientes en esta grafica es necesario tener en cuenta que este modelo es muy parecido al DSTWU2, pero la diferencia radica en que la alimentación para la columna DISTL es multicomponente; en donde se ha de especificar para el proceso la relación de flujo (la cual se supuso como 2 para cada uno de los diferentes casos), el número de platos teóricos (el cual se obtuvo de los procedimientos realizados en FUG) y la ratio de productividad (D/F, es 2

https://rodin.uca.es/xmlui/bitstream/handle/10498/20124/GU%C3%8DA%20PARA%20PR%C3%81CTICAS%20DE%

decir lo que se obtuvo de destilado con respecto a lo alimentado). Para esta columna ASPEN usa el método de EDMISTER, el cual se basa en localizar un punto clave, ejemplo la temperatura correspondiente al 50% del volumen destilado, para luego estimar los incrementos de la curva EFV en función de los aumentos de la TBP utilizando datos extraídos del diagrama.(https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/1889/1/AOSTEMA1.pdf) para hallar finalmente las composiciones de salida de la columna; y donde se asume la volatilidad constante y el flujo molar constante. Teniendo en cuenta todo lo anterior mencionado cabe resaltar que los grados de libertad de esta columna son… Teniendo en cuenta lo anterior mencionado, en la alimentación para la columna en todos los casos es igual:

a. Caso 1

En donde el 0,86 se obtuvo del porcentaje que hay de componente ligero en el destilado. Los resultados obtenidos son:

20ASPEN%20PLUS%207.2.%20EN%20OPERACIONES%20DE%20SEPARACI%C3%93N%20G-L%20y%20LL.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Además de esto, por medio de la pestaña “azeótropos” que aparece en resultados, se da a conocer que para este ejercicio ASPEN no encuentra azeótropos:

NOTA: no se realizan más graficas de resultados dado a que el programa no permite o da a conocer la opción (esto sucede con cada uno de los siguientes ejercicios que se realizaron a los cuales no se les muestra ninguna grafica) :

b. Caso 2

Al igual que el anterior caso, no se mostraron azeótropos.

c. Caso 3

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Evaluando los resultados de flujos molares en el destilado y fondos de los componentes claves en cada uno de los casos podemos ver que en el caso dos y tres los flujos de destilado y fondos son totalmente iguales, lo que nos indica que al tener en comun uno de los componentes claves, como lo es el ligero que es el n-butano que cuenta con un flujo en destilado de 344,884 nos indica un valor medianamente alto si lo que se quiere no solo es favorecer el ligero si no de igual forma favorecer la separacion del pesado; sin embargo no podemos decir que el caso dos y tres son la mejor opcion al querer separar en mayor proporcion un solo componente en este caso el n-butano ya que si comparamos estos dos casos con el número uno y con un flujo molar de 473 de n-butano logramos decir que al establecer el n-butano como componente clave pesado logramos una mayor separacion que poniendo este componente como ligero en la clumana, por tanto si lo que se quiere es obtener en mayor cantidad el n-butado se debera colocar en la columna de fraccionamiento el n-butano como el componente con mayor punto de ebullicion.

II.

COLUMNA DSTWU

Para el modelo DSTWU en ASPEN, se ha de tener en cuenta que usa el método de WINN, con el cual estima el número de etapas mínimo, UNDERWOOD, con el cual estima el reflujo mínimo y GILLILAND, con el cual estima el número de etapas reales; y a pesar de que se parece mucho al método de FUG su diferencia radica en que esta columna permite optimizar el rendimiento de destilación con respecto al número de platos y su relación con el reflujo. Se puede llegar a ver que los datos varían un poco con respecto a la columna DSTIL dado a que esta columna es mejor cuando hay mezclas binarias. Teniendo en cuenta todo lo anterior mencionado cabe resaltar que los grados de libertad de esta columna son… Teniendo en cuenta lo anterior mencionado, en la alimentación para la columna en todos los casos es igual:

Para esta columna es importante dar a conocer que además del reflujo y las presiones en el condensador y el calentador, las cuales para este caso se tomaron iguales a los de las columnas, los cuales son 79 psia; y los componentes clave y ligero (los cuales cambian dependiendo del caso).

1) Caso 1

Para esta columna, es necesario tener en cuenta que la recuperación de los componentes pesado y ligero se obtienen dividiendo lo obtenido tanto en la destilación como en los fondos.

Al igual que en la columna anterior, no se encontraron azeótropos. 2) Caso 2

3) Caso 3

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Evaluando los resultados obtenidos en la columna DSTWU en cada uno de los diferentes casos podemos decir que el caso dos y tres se comportan de manera casi similar es decir los valores de flujos molares de destilado y fondos son medianamente parecidos siempre favoreciendo en la parte de fondos ya que cuenta con un flujo molar para el caso 1 y 2 de 729,471 Kmol/hr y 770,342 Kmol/hr respectivamente, sin embargo observado los flujos del componente ligero en estos caso en la parte de destilado favorece un poco más el flujo del n-butano, respecto al primer caso podemos observar que al designar el n-butano como componente pesado se obtuvo un flujo mayor de destilados respecto a los otros dos caso lo cual si nuestro propósito es aumentar la separación de este componente (n-butano) el caso número uno no es la mejor opción aunque la diferencia de este caso respecto a los demás no varía mucho , pero si la necesidad es separar en mayor cantidad el iso-butano siempre el caso número uno es más favorable debido a que este componente tiene un punto de ebullición menor que el pesado, lo que nos lleva a deducir que en la columna DSTWU no varía mucho si el componente a separar se encuentra como componente clase ligero o pesado, ya que se obtienen resultados medianamente parecidos en los tres casos.

III.

COLUMNA RADFRAC Radfrac es un método riguroso de destilación que utiliza ASPEN, teniendo en cuenta que este no utiliza suposiciones. Se puede utilizar para adsorción, extracción, destilación extractiva y destilación normal. Es capaz de manejar cualquier número de flujos de salida de productos. Por lo que se puede dar a conocer que es el método que más podría ser acertado con la realidad.

Esta columna permite dos formas de simular etapas reales, la primera la cual se basa en aplicar etapas de equilibrio, en la cual solo calcula la perdida de “carga” en la torre, y la segunda la cual se basa en coeficientes de transferencia (dado el caso en que las etapas sean reales o no estén en equilibrio3). Por esta razón a la hora de realizar el proceso de separación en esta columna se tuvo en cuenta: 1) En la pestaña configuración se tuvo en cuenta que el tipo de calculo que se desea realizar es el de “equilbrio” ya que solo queremos calcular que pasa con respecto a lo que entra a la torre. El número de etapas se dio a conocer por medio de los procesos realizados en FUG, el cual es diferente para cada caso. En el caso del condensador, se tomó como total al igual que en todos las otras columnas dado a que así no se tiene en cuenta el reflujo. El rehervidor es tipo KETTLE gracias a que se quiere hallar un equilibrio, las fases se encuentran en liquido vapor y la convergencia es estándar. Además de esto se da a conocer el reflujo del destilado para cada caso y el reflujo, el cual se sigue tomando como dos. 2) En la pestaña de Streams se da a conocer la etapa de alimento, el cual se puso que era en la dos como una suposición

3

http://www.cartagena99.com/recursos/fisica/apuntes/Aspen-Guia%20practica%202%20definitiva%20.pdf

3) Y por último se exige tener la temperatura en la columna, el cual se asumió como 79psia.

Dado a que esta columna no exige más datos, si no los demás son opcionales, se da a conocer que los grados de libertad son:

a. Caso 1

Para dar a conocer mejor los resultados, se da a conocer el grafico de las composiciones liquidas por las etapas que suceden en el caso:

El cambio de temperatura en cada etapa:

Y el flujo por cada etapa

b. Caso 2

Para dar a conocer mejor los resultados, se da a conocer el grafico de las composiciones liquidas por las etapas que suceden en el caso:

El cambio de temperatura en cada etapa:

Y el flujo por cada etapa

c. Caso 3

Para dar a conocer mejor los resultados, se da a conocer el grafico de las composiciones liquidas por las etapas que suceden en el caso:

El cambio de temperatura en cada etapa:

Y el flujo por cada etapa

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Respecto a la columan radfrac y sus correspondientes datos de flujos molares en cada uno de los casos notamos nuevamente que al designar el n-butano como componente clave ligero aumenta en mayor medida y por tanto favorece altamente su flujo de destilado del mismo siendo el valor de 463,183 respecto al primer caso que fue del 159,343 es considerablemente mucho mas bajo que los flujos del caso dos y tres, tambien podemos darnos cuenta que la columana radfrac favore el flujo de destilados.