Análisis de variación de la calidad de vapor en la zona de alimentación de una columna de destilación etanol-agua empleando los software’s de simulación 𝐜𝐡𝐞𝐦𝐒𝐞𝐩𝑻𝑴 Y SuperProdesigner v 8.5

Subtítulo

Introducción

Mezcla etanol-agua : Azeotropo

Chemsep y superpro

Objetivo: evaluar variaciones de calidad

Problema

Se desea separar 1000 kgmol/h de una mezcla de etanol-agua (46% mol etanol) con el fin de obtener un producto de cabeza (destilado) con 85% mol de etanol y un producto de cola (residuo) con 17% mol de etanol. Se utilizara un relación de reflujo externa igual a xRmin. La mezcla de alimentación se encuentra como una mezcla liquido vapor con 50% de vapor ó como líquido saturado o como vapor saturado (etc).

Calcular: Cantidad de destilado y residuo obtenidos, Número mínimo de etapas (Nmin), Número de etapas ideales (N).

Corrientes

Como se resolvió

Balance general𝐹 = 𝐷 +𝑊

Balance especifico etanol𝐹 𝑥𝑓 = 𝐷 𝑥𝐷 +𝑊(𝑥𝑤)

Tercera viñeta aquí

Equilibrio liquido vapor : método de Wilson

𝜸𝟏 = 𝑒− 𝑙𝑛 𝑥1+𝜆12∗𝑥2 + 𝑥2∗

𝜆12𝑥1+𝜆12∗𝑥2

−𝜆21

𝑥2+𝜆21∗𝑥1

𝜸𝟐 = 𝑒− 𝑙𝑛 𝑥2+𝜆21∗𝑥1 − 𝑥1∗

𝜆12𝑥1+𝜆12∗𝑥2

−𝜆21

𝑥2+𝜆21∗𝑥1

EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR

1.00, 1.00

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

y:Fr

acci

ón

Mo

l de

eta

no

l en

el

Vap

or

X: Fracción mol de etanol en el liquido

x vs y

Y1

y = -5,5394x4 + 13,641x3 - 11,275x2 + 4,0823x + 0,0675

R² = 0,984

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

y:

Fra

cc

ión

Mo

l d

e e

tan

ol e

n e

l va

po

r

X: Fracción mol de etanol en el liquido

Equilibrio Liquido Vapor aplicando regresión polinomica de cuarto orden.

Equilibrio Liquido Vapor

Etapas mínimas e ideales

𝑦 =𝑥𝐷

𝑅𝑚 + 1

Calidad

Liquido saturado

q=1

Vapor saturado

q=0 Mezcla liquido vapor 1>q>0

Cambio del Reflujo:𝑅 = 𝑋𝑅𝑚 Donde; X cambia (1,2,3,4,5).

Numero etapas minimas

Numero de etapas mínimos: 6,4 etapas mínimas.Numero de platos: 6.Rehervidor: 1.

se trazó una tangente un destilado (xD) (0,85)el cual nos arrojó un y = 0,26

Número de etapas Ideales apartir de un líquido saturado: (q=1)

0,26 =0,85

𝑅𝑚 + 1

𝑅𝑚 = 2,2692

𝑦 = 0,1089 ≈ 0,11

𝑦 =𝑥𝐷

𝑋𝑅𝑚 + 1

Número de etapas Ideales: 9,6 etapas ideales.Número de platos: 9.Rehervidor: 1.

Número de etapas Ideales apartir de un Vapor saturado: (q=0)

0,26 =0,85

𝑅𝑚 + 1

𝑅𝑚 = 2,2692

𝑦 =𝑥𝐷

𝑋𝑅𝑚 + 1

𝑦 = 0,1089 ≈ 0,11

Numero de etapas Ideales: 9,6 etapas ideales.Numero de platos: 9.Rehervidor: 1.

Número de etapas Ideales apartir de una Mezcla liquido- Vapor : (q=0,46)

𝑞 =𝐿𝑓

𝐹=

460 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙

1000𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙= 0,460

𝑚 =𝑞

𝑞 − 1=

0,460

0,460 − 1= −0,85185

tan−1−0,85185 = −40,4260° ó 139,574°

0,26 =0,85

𝑅𝑚 + 1

𝑅𝑚 = 2,2692

𝑦 =𝑥𝐷

𝑋𝑅𝑚 + 1

𝑦 = 0,1089 ≈ 0,11

Número de etapas Ideales: 8,7 etapas ideales.

MONTAJE EN CHEMSEP

Elección de componentes

Datos de operación

Modelos termodinámicos, propiedades físicas y reacciones

Datos necesarios de alimentación (En esta sección se variara la calidad del vapor alimentado, q=1, q=0, q=0.46).

Resultados Chemsep: Comparación de la distintas calidades de Vapor utilizadas.

Corriente Alimentación Destilado Residuo

Etapa 9 1 10

Fracción de vapor 1 0 0

Temperatura (k) 358,617 351,141 356,708

Presion (N/m2) 101325 101325 101325

Fracciones mol

Etanol 0.459999 0.831703 0.183566

Agua 0.540001 0.168297 0.816434

q=1

Corriente Alimentación Destilado Residuo

Etapa 9 1 10

Fracción de vapor 0 0 0

Temperatura (k) 353.043 351.141 356.717

Presion (N/m2) 101325 101325 101325

Fracciones mol

Etanol 0.459999 0.832208 0.183191

Agua 0.540001 0.167792 0.816809

q=0

Corriente Alimentación Destilado Residuo

Etapa 8 1 9

Fracción de vapor 0,54 0 0

Temperatura (k) 354.495 351.151 356.587

Presion (N/m2) 101325 101325 101325

Fracciones mol

Etanol 0.459999 0.824774 0.188719

Agua 0.540001 0.175226 0.811281

q=0,5

Estudio paramétrico

Se eligió la destilación representada con una mezcla liquido-vapor en sualimentación debido a los resultados obtenidos como: menor número deplatos requeridos, mayor confiabilidad de la simulación, dado que suporcentaje de error era el más cercano a cero. Por tanto se evaluó elreflujo, producto de fondo y su influencia al destilado

SUPER PRO DESGNER V 8.5

Datos arrojados al realizar la simulacion

Corriente del destilado

Corriente del Residuo

Estudio económico

Material kg/yr kg/h kg/kg MP

Ethyl Alcohol 167838580,80 21191,74 1,62

Water 77046552,00 9728,10 0,74

TOTAL 244885132,80 30919,84 2,36

Material Consumption

Bulk Material Unit Cost($)

AnnualAmount

Annual Cost

($)

%

Ethyl Alcohol 0,00 167838581,00

kg 0,00 0,00

Water 0,50 77046552,00 kg 38523276,00 100,00

TOTAL - - - 38523276,00 100,00

Material Cost

Conclusiones

- El aumento del reflujo reviste una gran importancia si se quiere aumentar el destilado al final de la operación.

- Para un resultado adecuado se debe realizar un estudio previo dependiendo de la operación a realizar, los componentes implicados y la relación que estos tengan. Dado que chemsep, Super Pro serán más exacto en la medida que el usuario amplifique su exactitud introduciendo las opciones más aplicables al proceso en cuestión.

- Debido a la existencia de muchas combinaciones entre los parámetros influyentes de la operación requerida en el software dependerá en gran medida del programador la exactitud final obtenida.

- El software superpro puede ser utilizado con más provecho en la esquematización de un procesamiento completo, dado su facilidad de unir procesos de forma consecutiva.

Referencias

RIOS, Guillermo, 2004. Modelos termodinámicos para el equilibrio vapor – líquido a bajas presiones: fase liquida, modelo de Wilson. [En línea]. [Consultado Mayo, 2014]. Disponible en Internet:< http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=84912053034>.

MANDAGARÁN, Beatriz y CAMPANELLA, Enrique 2008. Cálculo y Predicción de AzeótroposMulticomponentes con Modelos de Coeficientes de Actividad; Vol. 19(5), 73-84 (2008) [En línea]. [Consultado Mayo, 2014]. Disponible en Internet:< http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642008000500009 >.

TREYBAL, Robert E 1998.Operaciones de Transferencia de Masa “Destilación”; Universidad de Rhode Island; Segunda Edición; McGRAW-HILL; Págs.378-528 [En línea]. [Consultado Mayo, 2014]. Disponible en Internet:< http://fenomenosdetransporte.files.wordpress.com/2008/05/operaciones-de-transferencia-de-masa-robert-e-treybal.pdf >.

Jason R. Kwiatkowski , Andrew J. McAloon, Frank Taylor, David B. Johnston 2006. Modeling the process and costs of fuel ethanol production the corn dry-grind process Volumen 23, Número 3 , mayo de 2006, páginas 288-296 [En línea]. [Consultado Junio, 2014]. Disponible en Internet:< http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926669005000944 >.

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