UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN DE AREQUIPA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN DE AREQUIPA

FACULTAD DE INGENIERA DE PROCESOSESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA QUMICA

SIMULACIN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO DE PRODUCCIN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2

AREQUIPA 2015PRESENTACIN

SIMULACIN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO DE PRODUCCIN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2

NDICEiiDEDICATORIA

PRESENTACINiiiNDICEivNDICE DE FIGURASviiiNDICE DE TABLASxivCAPITULO I2GENERALIDADES21.1Problema en Investigacin21.2Antecedentes21.3Fundamentos del Proyecto de Investigacin31.4Objetivos41.4.1Objetivo General41.4.2Objetivos Especficos41.5Justificacin41.5.1Justificacin Tecnolgica41.5.2Justificacin Econmica51.5.3Justificacin Social51.5.4Alcances51.5.5Restricciones61.6Hiptesis61.7Antecedentes Investigativos6CAPTULO II8Marco conceptual82.1Simulador Hysys82.1.1Simulacion de procesos92.1.2Simulador hysys102.1.3Entorno HYSYS112.1.3.1Abrir Sesin112.1.3.2Iniciar un Nuevo caso122.1.3.3Ingreso de Componentes142.1.3.4El Paquete de Fluidos: Fluid Package172.1.3.5Exportando Fluid Packages202.1.3.6Guardando el Trabajo222.1.3.7Ingresar al entorno de la simulacin.222.1.3.8Adicionando corrientes242.1.3.9Clculos Instantneos332.1.3.10Ejemplos de Clculos Instantneos332.1.3.11HYSYS Y TERMODINMICA362.1.3.12Seleccin de un paquete de propiedades362.1.3.13Ecuacin de Estado372.1.3.14Modelos para Actividades372.1.3.15Propiedades Fsicas y Termodinmicas382.2Marco Terico de la Destilacin392.2.1Definicin de Destilacion392.2.2tipos de Destilacion402.2.3CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE PLATOS.452.3marco teorico de reactores492.3.1Definicin de Reaccin Qumica.492.3.2Definicin de Reactor Qumico.512.3.3Reactor CSTR552.4Creacin del modelo652.5Proceso de simulacin652.6Clasificacin de la simulacin a utilizar662.7ETILENGLICOL672.8DIETILENGLICOL692.9xido de etileno70 . CAPTULO III71PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA713.1Metodologa de la Investigacin713.2Variables a Evaluar713.3Materiales y Equipos723.4algoritmo de Tratamiento Seleccionado723.5Recoleccin de Datos733.6Simulacin del Proceso733.7Cintica del proceso783.8Diseo de Flowsheet823.9Balance de Materia y energa1013.10Simulacin dinamica del Proceso101CAPTULO IV115RESULTADOS Y DISCUSIN1154.1.Evaluacin de las Pruebas1154.2.Aplicacin de mtodo de optimizacin seleccionado a pruebas1224.3.Evaluacin de resultados de acuerdo al mtodo de Optimizacin1344.4.Aceptacin o Rechazo de la Investigacin137CONCLUSIONES138RECOMENDACIONES140BIBLIOGRAFA141

NDICE DE FIGURASFIGURA 2.1 Inicio de Hysys11FIGURA 2.2 Simulations Basis Manager13FIGURA 2.3 Componentes del Simulations Basis Manager14

FIGURA 2.4 Lista de Componentes16FIGURA 2.5 Lista de Componentes16FIGURA 2.6 Fluid Package18FIGURA 2.7 Fluid Package Binary Coefficient20FIGURA 2.8 Fluid Package Binary Coefficient20FIGURA 2.9 Export Fluid Package Binary Coefficient21FIGURA 2.10 Save Export Fluid Package21FIGURA 2.11 Guardar su trabajo22FIGURA 2.12 Pagina de simulacin de Hysys 3.223FIGURA 2.13 Simulacin de un Proceso24FIGURA 2.14 Flujo desde la Paleta de Objetos25FIGURA 2.15 Visor de Propiedades25FIGURA 2.16 Ingresando datos26FIGURA 2.17 Ingresando Composicin26

FIGURA 2.18 Ingresando Composicin en flujo27

FIGURA 2.19 Completando Composicin en flujo27FIGURA 2.20 Completando propiedades28

FIGURA 2.21 Workbook28

FIGURA 2.22 Ingresando datos al Workbook29FIGURA 2.23 Ingresando datos de composicin29

FIGURA 2.24 Workbook completo30

FIGURA 2.25 PFD30FIGURA 2.26 Visor de Propiedades31

FIGURA 2.27 Composicin en fraccin molar31

FIGURA 2.28 Corrientes creadas32FIGURA 2.29 Composicin de Corrientes en el Workbook32

FIGURA 2.30 Composicin de Corrientes de Tolueno33

FIGURA 2.31 Composicin del workbook34FIGURA 2.32 Punto de Roci34

FIGURA 2.33 Punto de burbuja35

FIGURA 2.34 Corriente totalmente definida35FIGURA 2.35 Eleccin de modelo termodinmico39FIGURA 2.36 Diagrama de balances de materia para una columna

de fraccionamiento contino.47FIGURA 2.37 Esquemas de reactores CSTR56FIGURA 2.38 Diagrama causal de la operacin del reactor CSTR

con intercambio de calor, en el que ocurre una

reaccin exotrmica57

FIGURA 2.39 Modelo a simular65

FIGURA 3.1 Diagrama de flujo del proceso de produccin de Etilen Glicol68

FIGURA 3.2 Algoritmo de simulacion69

FIGURA 3.3 Preferencia de Unidades71FIGURA 3.4 Editando Unidades72

FIGURA 3.5 Editando Unidades72

FIGURA 3.6 Editando Fluid Package73

FIGURA 3.7 Editando Modelo termodinamico73FIGURA 3.8 Editando Modelo termodinamico74FIGURA 3.9 Componentes seleccionados74FIGURA 3.10 Coeficientes binarios75FIGURA 3.11 Pagina de reacciones76FIGURA 3.12 Aadiendo componentes76

FIGURA 3.13 Estequiometria de las reacciones77

FIGURA 3.14 Seleccionando modelo cintico78

FIGURA 3.15 Constantes de reaccin78

FIGURA 3.16 Seleccionando segundo modelo cintico79

FIGURA 3.17 Paleta de herramientas80

FIGURA 3.18 Ingresando datos de operacin81

FIGURA 3.19 Ingresando Composicin81

FIGURA 3.20 Ingresando datos de operacin82

FIGURA 3.21 Conexiones del Mixer83

FIGURA 3.22 Reactor CSTR83

FIGURA 3.23 Reacciones del Reactor CSTR84

FIGURA 3.24 Worksheet del Reactor CSTR85

FIGURA 3.25 Flowsheet preparado hasta el momento86

FIGURA 3.26 Opcin Set87

FIGURA 3.27 Select Tarjet Object87

FIGURA 3.28 Set 1- Conexiones88

FIGURA 3.29 Set 1- Parmetros88

FIGURA 3.30 Databook89

FIGURA 3.31 Variables de Databook89

FIGURA 3.32 Databook90

FIGURA 3.33 Databook Case Studies90

FIGURA 3.34 Case Studies91

FIGURA 3.35 Grafico de Resultados91

FIGURA 3.36 Completando Flowsheet92

FIGURA 3.37 Vlvula93

FIGURA 3.38 Vlvula Parmetros 93

FIGURA 3.39 Paleta de Destilacin94

FIGURA 3.40 Propiedades de la columna de destilacin Pg. 194

FIGURA 3.41 Propiedades completas de destilacin Pg. 195

FIGURA 3.42 Propiedades Specs96FIGURA 3.43 Add Specs 96FIGURA 3.44 Fraccin de Agua96

FIGURA 3.45 Monitor de la Columna97

FIGURA 3.46 Workbook97

FIGURA 3.47 Balance de Materia98

FIGURA 3.48 Flowsheet99

FIGURA 3.49 Vapour Valve del Reactor CSTR100

FIGURA 3.50 Vapour Valve del Reactor CSTR101

FIGURA 3.51 Controlador PID102

FIGURA 3.52 Select Input Pv102

FIGURA 3.53 Reactor LC103

FIGURA 3.54 Tunning104

FIGURA 3.55 Variables del reactor a graficar106

FIGURA 3.56 Variables del reactor107FIGURA 3.57 Integrador107

FIGURA 3.58 Variables de Inters108

FIGURA 3.59 Simulacin de variables109

FIGURA 3.60 Reactor TC Tunning110

FIGURA 3.61 Evolucin de la rampa en el set point110

FIGURA 3.62 History Data111

FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h112FIGURA 4.2 Workbook - Composicin para 500 Kgmol/h113FIGURA 4.3 Workbook para 750 Kgmol/h113FIGURA 4.4 Workbook - Composicin para 750 Kgmol/h114FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h114FIGURA 4.6 Workbook - Composicin para 1000 Kgmol/h115FIGURA 4.7 Workbook - Composicin 1000 Kgmol/h y 5 Atm116FIGURA 4.8 Workbook - Composicin 1000 Kgmol/h y 10 Atm116FIGURA 4.9 Workbook - Composicin 1000 Kgmol/h y 15 Atm117FIGURA 4.10 Workbook Temperatura de 30C118FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50C118FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80C119

FIGURA 4.13 Select Tarjet Object120

FIGURA 4.14 Set 1- Conexiones121

FIGURA 4.15 Set 1- Parmetros121FIGURA 4.16 Databook122FIGURA 4.17 Variables de Databook122FIGURA 4.18 Databook123FIGURA 4.19 Databook Case Studies123FIGURA 4.20 Case Studies124FIGURA 4.21 Grfico de Resultados125FIGURA 4.22 Workbook del Set125

FIGURA 4.23 Composicin del Set126FIGURA 4.24 Composicin del Set126FIGURA 4.25 Condiciones del CSTR127FIGURA 4.26 Composicin del CSTR128FIGURA 4.27 Conversin de las reacciones128FIGURA 4.28 Condiciones del CSTR129FIGURA 4.29 Condiciones del CSTR130FIGURA 4.30 Flujo de alimentacin al mixer131FIGURA 4.31 Composicin de alimentacin al mixer132FIGURA 4.32 Porcentaje de Conversin en el CSTR132FIGURA 4.33 Porcentaje de Conversin en el CSTR133FIGURA 4.34 Balance de todo el proceso133NDICE DE TABLAS

TABLA 2.1 Opciones Termodinmicas19TABLA 2.2 Opciones Termodinmicas36

TABLA 2.3 Modelos de Actividades38

TABLA 3.1 Variables a Controlar68

TABLA 3.2 Reacciones Qumicas68

TABLA 3.3 Variables a Controlar70

TABLA 3.4 Datos de Operacin80

TABLA 3.5 Datos de composicin80

TABLA 3.6 Parmetros103

TABLA 3.7 Parmetros PID104

TABLA 3.8 Etapas a seguir105

TABLA 3.6 Parmetros103

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 Problema en InvestigacinLa profesin de Ingeniera Qumica en uno de sus cursos de formacin profesional se imparte el de Modelamiento y Simulacin donde se debe de usar modelos y simuladores, para solucionar procesos industriales, pero nosotros no tuvimos la oportunidad hasta que egresamos de usar ningn simulador, sin embargo en el mercado internacional se conocen muchos simuladores en la actualidad, que pueden representar fehacientemente un proceso industrial y proporcionarnos informacin muy similar a lo sucedido en la realidad. Entre estos simuladores ms importantes se encuentran el Chemcad y el Hysys

La problemtica que se plantea es el de aprender a utilizar y aplicar este simulador aprovechando sus bondades para representar procesos industriales y que posteriormente se pueda implementar su utilizacin dentro del curso de Modelamiento y Simulacin de Procesos, para simular todo tipo de operacin y proceso y hasta la resolucin de condiciones termodinmicas, transferencia de masa y transporte y diseo de reactores, transporte de calor, diseo de equipo con respuestas muy exactas a la realidad. Lo que nos permitira tener un nivel competitivo mayor que las dems universidades y nos proporcionara una herramienta muy til que nos ahorrara mucho en costos de investigacin.

Mediante una investigacin profunda de las bondades que ofrece este simulador, Podramos simular el proceso de produccin del Dietilenglicol, para condiciones de operacin muy variadas, determinando las condiciones ms optimas para este proceso

1.2 AntecedentesEn este trabajo, enfocaremos las motivaciones, que nos llevaran hacer una investigacin de un proceso de simulacin mediante un software comercial de simulacin. En el punto 1.7 haremos la revisin de los antecedentes investigativos referentes a este tipo de investigacin.

El mbito geogrfico al que se circunscribir este estudio ser especficamente a la Simulacin de un proceso Industrial mediante el uso del simulador HYSYS en la Escuela Profesional de Ingeniera Qumica de la UNSA.

1.3 Fundamentos del Proyecto de InvestigacinEn la actualidad cada da se cuenta con un mayor desarrollo y auge de las Tecnologas de la Informacin y la Comunicacin por lo que todas las profesiones con carcter tecnolgico van usando la computacin como herramienta para poder desarrollar software que hace posible ms rpido y exactamente representar lo que sucede en un proceso, operacin unitaria, o proceso tecnolgico contribuyendo de esta forma en el aprendizaje de dichas operaciones y procesos y en la industria haciendo posible correcciones adecuadas para obtener una produccin de calidad y sin prdidas de tiempo y econmicas contribuyendo con los supervisores y operadores de las plantas a evitar las correcciones empricas que se acostumbraban a hacer basados en la experiencia de operacin adquiridas pero que en muchas ocasiones solamente permiten prdidas econmicas de algunas materias primas o simplemente alargar el proceso sin conseguir optimizarlo.

Vindolo de esta forma podramos investigar y aprovechar las bondades del Simulador Hysys y proceder a disear procesos dinmicos o estticos para las diferentes operaciones y procesos lo que permitira mejorar la competitividad y bajar los costos de produccin conociendo de estos simuladores de Procesos Qumicos.

Esta investigacin apunta a utilizar las diferentes funciones, comandos y herramientas del Simulador Hysys para poder simular completamente cualquier Proceso u Operacin Unitaria pudiendo en corto tiempo recibir respuesta lo ms prximo posibles a la realidad, obtenidas mediante este software y conseguir optimizar las corrientes de alimentacin y producto y ahorrarnos el proceso de investigacin de laboratorio.

1.4 Objetivos1.4.1 Objetivo General

Modelar y simular con el software Hysys un proceso esttico y dinmico de produccin de Dietilen glicol, controlando todas sus variables de produccin, para optimizar su rendimiento.

1.4.2 Objetivos Especficos

Construir el Flowsheet de produccin.

Resolver los balances de Masa y Energa.

Disear la cintica de reaccin del proceso en los reactores utilizados.

Disear el mixer, reactor y columna de destilacin a utilizar en todo el proceso de produccin industrial.

Correr el Proceso Industrial en modo esttico y dinmico, optimizando corrientes de alimentacin y salida.

Determinar la eficiencia de la produccin a condiciones simuladas.

1.5 Justificacin1.5.1 Justificacin Tecnolgica

El contar con diversos software que simulen procesos u operaciones en la industria de procesos y en especial en Ingeniera Qumica nos permitira a largo plazo adaptar estos software directamente al proceso industrial para el control automtico a travs de instrumentacin digital, tambin sera una herramienta importante para el proceso de enseanza-aprendizaje y comprensin, permitiendo profesionales que puedan mejorar y optimizar proceso industriales en particular.

Aplicar modelamiento y simulacin, requiere de software y la aplicacin de tecnologa computacional, que es de sumo inters que el profesional de procesos moderno, pueda disearlo de acuerdo a sus necesidades y exigencias, convirtindose en un nuevo campo tecnolgico de los profesionales de Ingeniera de procesos.

1.5.2 Justificacin Econmica

La utilizacin del simulador Hysys por un profesional de Ingeniera Qumica en forma expeditiva permite en el campo profesional estar a la vanguardia, mejorando de esta forma su calidad y por ende sus ingresos econmicos a las empresas que usen sus servicios les permitira ahorrar buenas sumas de dinero evitndose costos de investigacin de laboratorio, prdidas de tiempo que ocasionan las pruebas, prdidas econmicas debido al uso de materia prima o de tiempo de operacin de planta para la evaluacin de estas pruebas.

1.5.3 Justificacin Social

El uso del software simulador Hysys permitira logros educativos importantes para la ingeniera de procesos, permite que muchos usuarios que en la actualidad no tienen una amplia visin de estos procesos industriales, pueda desenvolverse mejor en el campo educativo de pregrado, adquiriendo una cimentacin ms amplia de su carrera, lo cual redundara en un mejor servicio profesional posterior.

La aplicacin de las TICs al proceso educativo, mediante el uso de la computadora y de los diversos paquetes, podra contribuir ampliamente al inters de conocer ms profundamente cada proceso llevado a cabo en la industria. Tambin incentivara la exploracin, investigacin y desarrollo de nuevos software especficos y ms cmodos econmicamente que el mencionado.1.5.4 Alcances

Las pruebas de esta investigacin se llevaran a cabo a nivel de laboratorio de Cmputo.

Dentro del proceso de modelamiento y simulacin se estudiar y optimizar el proceso mediante el uso de balances de materia, determinacin de la cintica ms adecuada y destilacin apropiada.

1.5.5 Restricciones

El software no permitira ningn tipo de restricciones en lo que respecta al proceso de simulacin de las diversas variables a controlar.

La validacin se har en funcin de informacin terica procesada atravs de clculos tericos, de un proceso de destilacin. 1.6 HiptesisEs factible Modelar y Simular un proceso industrial de produccin de Dietilen glicol, controlando y optimizando adecuadamente las variables de produccin ahorrndonos tiempo y costo en el proceso de investigacin en laboratorio, mediante el uso del Simulador Hysys. 1.7 Antecedentes InvestigativosRespecto a este Tema en la Escuela Profesional de Ingeniera Qumica no se encuentran ningn antecedente investigativo sobre utilizacin del software Hysys si se encuentran temas sobre el simulador Chemcad.

A nivel Internacional si se encuentra aplicacin del software de Hysys para Ingeniera de Procesos como: Determinacin de la curva de destilacin flash para cortes de petrleo utilizando simuladores comerciales de Enrique Eduardo Tarifa1, Eleonora Erdmann2, Demetrio Humana3, Samuel Franco Domnguez4 y Lorgio Mercado Fuentes5

RESUMEN

El presente trabajo describe un nuevo mtodo para estimar la curva de destilacin flash EFV (equilibrium flash vaporizacin) para cortes de petrleo utilizando simuladores comerciales. Para ello se implementa un modelo estacionario de la destilacin flash en un simulador comercial y se ajusta el modelo utilizando una curva de destilacin obtenida con procedimientos estndares de laboratorio. Dicha curva puede ser del tipo TBP, ASTM D86, D1160 o D2887, entre otras; e involucra un procedimiento experimental ms simple que el requerido para obtener la curva EFV. Para la simulacin se puede utilizar cualquier simulador comercial que sea capaz de modelar petrleo, en este trabajo se emplearon los simuladores HYSYS y CHEMCAD. Para evaluar el mtodo propuesto se analizaron experi-mentalmente varios tipos de petrleos y cortes de petrleo. Luego, de acuerdo con el mtodo propuesto, los datos obtenidos fueron ingresados a un simulador para estimar las correspondientes curvas EFV. Las curvas estimadas utilizando HYSYS y CHEMCAD fueron comparadas con las producidas por dos mtodos tradicionales de estimacin: el de Edmister y el mtodo de Maxwell. En todos los casos, las curvas estimadas por simulacin se aproximaron a la curva promedio de las de Edmister y Maxwell. El mtodo propuesto tiene varias ventajas: 1) evita la necesidad de obtener la curva EFV en forma experimental; 2) es independiente del tipo de curva experimental a utilizar para ajustar el modelo; 3) permite realizar estimaciones para diferentes presiones utilizando una nica curva experimental como dato.

CAPTULO IIMarco conceptual 2.1 Simulador HysysLa simulacin consiste bsicamente en construir modelos informticos que describen la parte esencial del comportamiento de un sistema de inters, as como en disear y realizar experimentos con el modelo y extraer conclusiones de sus resultados para apoyar la toma de decisiones.Tpicamente, se utiliza en el anlisis de sistemas tan complejos que no es posible su tratamiento analtico o mediante mtodos de anlisis numricos. Sus orgenes estn en los trabajos de Suden para aproximar la distribucin que lleva su nombre, y los mtodos que Von Newmann y Ulam introdujeron para resolver ecuaciones integrales. Desde entonces, la Simulacin ha crecido como una metodologa de experimentacin fundamental en campos tan diversos como la Economa, la estadstica, la Informtica o la Fsica, y con enormes aplicaciones industriales y comerciales, como los simuladores de vuelo, los juegos de simulacin, o la prediccin burstil o meteorolgica.

Existen diversas maneras para definir el trmino simulacin. Sin embargo debido a que se considera a la simulacin como una extensin lgica y natural de los modelos analticos y matemticos, inherentes a la Investigacin de Operaciones, la siguiente definicin es considerada como una de las ms completas.

Simulacin: Es una tcnica numrica para conducir experimentos en un computador digital, la cual incluye ciertos tipos de relaciones lgicas y matemticas necesarias para describir la estructura y comportamiento de un sistema complejo del mundo real sobre un periodo de tiempo.

Tambin se considera a la simulacin como un proceso para describir la esencia de la realidad, el cual incluye la construccin, experimentacin y manipulacin de un modelo complejo en un computador.

El uso de la metodologa de simulacin ofrece ventajas y desventajas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes:

Ventajas:

1. La simulacin hace posible estudiar y experimentar con las interacciones complejas de un sistema dado (sin importar cual).

2. A travs de la simulacin podemos estudiar el efecto de cambios ambientales, organizacionales de cierta informacin, en la operacin del sistema.

3. La observacin detallada del sistema simulado nos permite tener una mejor comprensin del mismo.

4. La experiencia al disear un modelo de simulacin para computadora es ms valiosa que la simulacin en s.5. La simulacin nos permite experimentar con situaciones nuevas, para los cuales no se tiene o hay poca informacin.

Desventajas:

1. Los modelos de simulacin para computadora son costosos y requiere tiempo para desarrollarse y validarse.

2. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar soluciones ptimas.

3. Es difcil aceptar los modelos de simulacin.

4. Los modelos de simulacin no son de optimizacin directa (son modelos de anlisis).

5. Se pueden tener restricciones o limitaciones en la disponibilidad del software requerido.2.1.1 Simulacion de procesos

Usa las relaciones fsicas fundamentales: Balances de masa y energa Relaciones de equilibrio Correlaciones de velocidad (Reaccin y transferencia de masa y calor)Predice Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes Condiciones de operacin Tamao de equipoAlgunas aplicaciones Diseo y optimizacin de procesos Entrenamiento operativo de operarios Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control predictivo FF).2.1.2 Simulador hysys

HYSYS es un software para la simulacin de plantas petroqumicas y afines. Incluye herramientas para estimar:

Propiedades fsicas

Equilibrios lquido vapor,

Balances de materias y energa

Simulacin de muchos equipos de ingeniera qumica.

Simula procesos en estado estacionario y dinmico.

Adquirido por Aspentech en 2004. Es un Software especializado para la industria petroqumica. Las principales ventajas de HYSYS son: Su facilidad de uso (interfaz amigable) Base de datos extensa (superada solo por la de Aspen Plus) Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayora de los datos son experimentales, aunque algunos son estimados (la mayora de simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC) Las principales desventajas de HYSYS son: Pocas o nulas aplicaciones de slidos Software de optimizacin limitado (el optimizer no es muy potente) 2.1.3 Entorno HYSYS

2.1.3.1 Abrir Sesin

Abra HYSYS haciendo clic en INICIAR>Programas>Hyprotec>HYSYS 3.2>HYSYS

La primera vez que usted ejecute HYSYS aparecer en su pantalla la ventana de inicio del programa. Por favor maximice esta ventana (para copar toda la pantalla) dando un clic sobre el botn Maximice en la esquina superior derecha de la ventana HYSYS. Se ver lo siguiente: FIGURA 2.1. Inicio de Hysys

Fuente: Software Hysys 3.2La lnea del tope es llamada la Barra de ttulos. Contiene el logotipo HYSYS y nombre en el lado izquierdo, y los botones Minimizar, Restaurar, y Cerrar en el lado derecho.

La siguiente lnea es llamada la Barra de mens. Esta barra contiene las rdenes del ms alto nivel para HYSYS. Son:

FileEste comando es usado para definir formatos de salida, abrir trabajos, imprimir y obtener informacin general sobre HYSYS

ToolsEsta orden sirva para iniciar un trabajo de simulacin (Preferences)

HelpEsta funcin da al usuario permiso de llamar las facilidades de ayuda en lnea.

La tercera lnea (o barra) es llamada la Barra de herramientas. Contiene los smbolos para directamente invocar atajos para las funciones diversas del archivo que de otra manera se tiene acceso a travs de los mens. Hasta ahora no se difiere de otro software del entorno windows.

Lo dems de la ventana est inactivo en este nivel. 2.1.3.2 Iniciar un Nuevo caso

Haciendo clic en el botn New Case . Aparece la ventana del administrador bsico de simulacin Simulation Basis Manager

El Simulation Basis Manager contiene una serie de pestaas que iremos describiendo a continuacin. La primera de ellas es fundamental y es donde podemos elegir los componentes de nuestro trabajo.FIGURA 2.2. Simulations Basis Manager

Fuente: Software Hysys 3.2Cuando seleccionamos la pestaa Components aparece un nmero de botones:

View Le permite una Lista de Componentes Existente.

Add Le permite crear una nueva Lista de Componentes.

Delete Para borrar una Lista de Componentes.

Copy Hace una copia de una Lista de Componentes existente.

Import le permite importar una lista de componentes predefinida desde el disco. Las Listas de Componentes tienen la extensin de archivo. fpk.

Export le permite exportar una lista de componentes predefinida desde el disco. Una Lista de componentes exportada puede ser usada en otro caso, usando la funcin Import.

Usted puede usar para reingresar al Basis Manager desde cualquier punto en la simulacin o haciendo clic en el botn de la barra de herramientas. 2.1.3.3 Ingreso de ComponentesEl primer paso para un trabajo en HYSYS es la definicin de componentes, los cuales se pueden agrupar en una lista y guardarlos (Exportarlos) bajo un determinado nombre1. Seleccionamos la etiqueta Components del Simulation Basis Manager y hacemos clic en Add con lo cual aparece la libreria de componentes. Esta libreria en su parte izquierda tiene tres conceptos: Components (Los que estn en la base de datos del programa), Hypotetical (Cuando vamos a formular un componente nuevo) y Other.FIGURA 2.3. Componentes del Simulations Basis ManagerFuente: Software Hysys 3.22. Usted puede seleccionar componentes para su simulacin usando varios mtodos diferentes:Match celda 1. Seleccione uno de los tres formatos de nombres, SimName, Full Name/ Synonym, o Formula seleccionando el correspondiente radio button. 2.- Clic sobre la celda Match e ingresar el nombre del componente. 3. Una vez que el componente deseado es resaltado haga ya sea: Presione la tecla Presione el botn Add Pure Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulacin. Component List 1. Usando la barra de desplazamiento para la lista principal de componentes, desplazarse a travs de la lista hasta que encuentre el componente deseado. 2. Para adicionar el componente hacer ya sea: Presione la tecla Presione el botn Add Pure Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulacin. Family Filter 1. Asegrese que la celda Match est vaca, y presione el botn Family Filter. 2. Seleccionar la familia deseada desde Family Filter para desplegar solamente el tipo de componente. 3. Use cualquiera de los dos mtodos previos para desear desear el componente deseado. 4. Para adicionar el componente hacer ya sea: Presione la tecla Presione el botn Add Pure Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulacin. Con la opcin Filter, no solamente podemos buscar por familias de componentes (alcoholes, aminas, miscelneo etc), sino podemos ver cules son los Fluid Package recomendados para cada componente y filtrar atendiendo a este mtodo. Nota: Usted puede aadir un rango de componentes resaltando el rango entero y presionando el botn Add Pure.3. Seleccione de la librera de componentes Chloroform, Toluene, Ethanol, H2O, Oxygen y Nitrogen.FIGURA 2.4. Lista de Componentes Fuente: Software Hysys 3.24. Coloque un nombre a la lista de componentes, en este caso: Lista de componentes-1, presione la tecla y cierre la ventana, con lo cual de regreso al Simulation Basis Manager aparece la lista creadaFIGURA 2.5. Lista de ComponentesFuente: Software Hysys 3.2La base de datos que contiene HYSYS es muy grande, y trae cantidad de componentes, pero es un simulador muy orientado a la empresa petroqumica y es difcil encontrar componentes de otro tipo de empresas, como son los sulfatos, xidos y dems componentes inorgnicos.Las ltimas versiones de HYSYS ya incluyen el paquete de electrolitos, donde podemos incluir sustancias que estn en forma de electrolitos y pueden variar las propiedades coligativas de la mezcla.Tambin podemos incluir algunos componentes, que aunque no estn en la base de datos, se pueden adicionar ingresando sus parmetros caractersticos del componente.2.1.3.4 El Paquete de Fluidos: Fluid PackageHYSYS usa el concepto de Paquete de Fludo (Fluid Package) para contener toda la informacin necesaria para clculos fsicos de las propiedades de componentes. Este acercamiento le permite definir toda informacin (paquete de componentes, propiedades, parmetros de interaccin, reacciones, datos tabulares, componentes hipotticos, etc.) Dentro de una sola entidad. Hay tres ventajas cruciales para este acercamiento: Toda informacin asociada est definida en una sola posicin, permitiendo fcil creacin y modificacin de la informacin. Los paquetes de fluidos pueden ser almacenados como una entidad completamente separada para usarlo en una simulacin. Pueden ser usados mltiples paquetes de fluidos en la misma simulacin; Sin embargo, todos deben ser definidos dentro del Administrador Base comn (Basis Manager). El Basis Manager de la simulacin es una vista de la propiedad que le permite crear y manipular cada Fluid Package en la simulacin. Cuando quiera que usted inicie un nuevo caso (New Case), HYSYS coloca a usted en esta posicin. Al abrir la pestaa Fluid Pkgs del Simulation Basis Manager, contiene la lista de definiciones corrientes de Fluid Package. Usted puede usar mltiples Fluid Packages dentro de una simulacin asignndoselos a diferentes flowsheets y acoplando los flowsheets.Seleccin del Fluid PackageEl segundo paso para la simulacin es definir el Fluid Package. Este paso es muy importante y no se debe tomar a la ligera, ya que definir la base de la simulacin. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulacin, pero si introducimos un error desde el principio, este se agravar con el desarrollo de la simulacin.1. En el Simulation Basis Manager seleccione la etiqueta Fluid Pkgs y sombrear la lista de componentes para la cual deseamos colocar la opcin termodinmica (Lista de Componentes -1) y luego hacer clic en el botn Add.2. Hacer clic en el radio botn (radio button) de Activity Models y seleccionar NRTL como el paquete de propiedades (Property Package) para este caso.FIGURA 2.6. Fluid PackageFuente: Software Hysys 3.2Tambin debemos seleccionar la opcin para el vapor en la esquina superior derecha.La siguiente Tabla es un breve resumen de las opciones termodinmicas recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes aplicaciones.TABLA 2.1. Opciones TermodinmicasAplicacinMargulesvanLaarWilsonNRTLUNIQUACSistemas binariosAAAAASistemas de Mltiple componentesLALAAAASistemas azeotrpicosAAAAAEquilibrio Liquido-LiquidoAAN/AAASistemas diluidos??AAASistemas de asociacin individual??AAAPolmerosN/AN/AN/AN/AAExtrapolacin??GGG A = Aplicable N/A = No Aplicable ? = Cuestionable G = Bueno LA = Aplicacin LimitadaFuente: Manual Hysys 3.23. Cambiar el nombre del nombre por defecto Basis-1 a Paquete-1. Hacer esto haciendo clic en la celda "Name", y tipeando el nuevo nombre. Pulsar la Tecla cuando haya finalizado. Luego cerrar la ventana.4. Ir a la etiqueta de coeficientes binarios (Binary Coeffs). FIGURA 2.7. Fluid Package Binary CoefficientFuente: Software Hysys 3.2Presione el botn Unknowns Only para estimar los coeficientes ausentes. Ver las matrices Aij, Bij y aij seleccionando el radio botn correspondiente. La matriz Aij es mostrada a continuacin: FIGURA 2.8. Fluid Package Binary CoefficientFuente: Software Hysys 3.22.1.3.5 Exportando Fluid PackagesHYSYS le permite exportar Fluid Packages para usarlos en otras simulaciones. Esta funcionalidad le permite crear un simple y comn Fluid Package el cual usted puede usarlo en mltiples casos.1. Sobre la etiqueta de Fluid Packages resalte el Fluid Package Paquete-1FIGURA 2.9. Export Fluid Package Binary CoefficientFuente: Software Hysys 3.22. Presione el botn Export.3. Ingrese un nico nombre (Paquete-1) para el Fluid Package y presione el botn OK.FIGURA 2.10. Save Export Fluid PackageFuente: Software Hysys 3.2HYSYS automticamente le adicionar la extensin .fpk cuando guarde su Fluid Package. El archivo es automticamente en el subdirectorio \HYSYS\paks. Usted si desea puede seleccionar otro subdirectorio.Ahora que el Fluid Package est completamente definido, usted est listo para seguir adelante y empezar a construir la simulacin. Presione el botn Enter Simulation Environment o el botn Interactive Simulation Environment.2.1.3.6 Guardando el TrabajoUsted puede guardar su trabajo en cualquier momento para lo cual debe ir al menu File/ Save as Y darle un nombre.FIGURA 2.11. Guardar su trabajoFuente: Software Hysys 3.2En este caso HYSYS lo guarda con la extensin .hsc2.1.3.7 Ingresar al entorno de la simulacin. Desde el Simulation Basis Manager hacemos clic en Enter Simulation Environment.Si no hemos definido el Fluid Package, el programa nos advierte que falta definirlo. En este caso definimos un Fluid Package nuevo o importamos un Fluid Package ya definido y guardado con anterioridad.Se abre la siguiente ventana FIGURA 2.12. Pagina de simulacin de Hysys 3.2Fuente: Software Hysys 3.2Esta es la pantalla principal de HYSYS donde realizaremos las simulaciones. En este medio la simulacin se hace muy visual y fcil de llevar. Hay oro medio de simulacin en HYSYS que veremos ms adelante el Workbook La Paleta de Objetos la usaremos para seleccionar el equipo o el tipo de corriente que queremos introducir en el sistema de simulacin. Para ocultar o hacer visible la paleta de objetos hay que pulsar F4. En versiones superiores a la 3.1 hay un icono donde se puede hacer el mismo efecto que F4. La paleta se puede dividir en cuatro secciones, la primera es la dedicada a las corrientes de materia (flecha azul) y energa (flecha roja). En la segunda se muestran los equipos de separacin de fases, presin, transferencia de calor y reactores, la tercera muestra equipos de transferencia de masa (destilacin) y la cuarta es la dedicada a la lgica. FIGURA 2.13. Simulacin de un ProcesoFuente: Software Hysys 3.22.1.3.8 Adicionando corrientes En HYSYS, hay dos tipos de corrientes, Materia y Energa. Las corrientes de Material tienen una composicin y parmetros tales como temperatura, presin y flujos. Estas son usadas para representar Corrientes de Proceso. Las corrientes de energa tienen solamente un parmetro, Flujo de Calor. Estas son usadas para representar la carga suministrada a o por una Unidad de Operacin.Existe una variedad de formas para adicionar las corrientes en HYSYS.Ingresando Corrientes desde la Paleta de Objetos1. Pulsemos en la paleta de objetos la flecha azul, es la correspondiente a una corriente de materia y con el cursor nos colocaremos en el PFD, volvemos a pulsar, el resultado es el siguiente: FIGURA 2.14. Flujo desde la Paleta de ObjetosFuente: Software Hysys 3.22. Nosotros queremos definir la composicin de esta corriente mediante la especificacin de los flujos de masa para cada componente. Hacemos doble click en la corriente y aparece el visor de propiedades de las corrientes Usted puede cambiar el nombre de la corriente simplemente escribiendo un nombre nuevo en la caja Stream Name.FIGURA 2.15. Visor de PropiedadesFuente: Software Hysys 3.23. Cambie el nombre de corriente para Etanol y seleccionemos la opcin Composition en el men WorksheetFIGURA 2.16. Ingresando datosFuente: Software Hysys 3.2Por defecto, HYSYS selecciona la base para definir las composiciones como fraccin en masa. Pero esta opcin lo podemos cambiar haciendo click en la opcin Basis, apareciendo la caja de dilogo siguienteFIGURA 2.17. Ingresando ComposicinFuente: Software Hysys 3.24. Seleccionamos la opcin para las composiciones Flujo de masa en este caso (Mass Flows), cerramos la caja y regresamos a la caja anterior donde ingresamos los flujos de masa de los componentesFIGURA 2.18. Ingresando Composicin en flujoFuente: Software Hysys 3.25. Presione el botn OK cuando se han ingresado todos los flujos de masa. FIGURA 2.19. Completando Composicin en flujoFuente: Software Hysys 3.26. Si regresamos a propiedades, vemos lo siguiente:FIGURA 2.20. Completando propiedadesFuente: Software Hysys 3.2Se ha actualizado las cantidades de masa y moles de la corriente, pero faltan an otros valores, para lo cual es necesario ingresar dos parmetros de los que estn indicados con azul y la palabra . La falta de informacin para definir completamente la corriente indica la barra amarilla de la parte inferior. Cerrar el visor de Propiedades de las corrientes.Ingresando Corrientes desde el Workbook 1. Para abrir o desplegar el Workbook, presione el botn de Workbook sobre la barra de botones.FIGURA 2.21. WorkbookFuente: Software Hysys 3.22. Ingrese el nombre de la corriente, Tolueno en la celda **New**, y luego seleccione la pestaa Compositions. Aparece la siguiente caja de dilogoFIGURA 2.22. Ingresando datos al WorkbookFuente: Software Hysys 3.23. Hacer doble click en cualquiera de las celdas bajo el nombre Tolueno y aparece la ventana para ingresar las cantidades de material. Usted tendr que volver a cambiar la base haciendo click en Basis o en Edit. Luego, ingrese los flujos de masa de componentes siguientes.FIGURA 2.23. Ingresando datos de composicinFuente: Software Hysys 3.2Hacer click en OK y al cerrar la ventana Aparece el Workbook con la informacin ingresada y donde podemos agregar otras corrientes.FIGURA 2.24. Workbook completoFuente: Software Hysys 3.24. Al regresar a la ventana del PFD se tiene ahora la nueva corriente ingresada FIGURA 2.25. PFDFuente: Software Hysys 3.2Ingresando Corrientes desde La Barra de Men1. Pulsando cuando estamos en modo simulacin, aparece el visor de propiedades. En la celda Stream Name Colocamos Aire.FIGURA 2.26. Visor de PropiedadesFuente: Software Hysys 3.22. Lo siguientes se operara como en el primer caso de corrientes. En este caso ingresamos la corriente como fracciones molares por lo que seleccionamos esta opcin e ingresamos:FIGURA 2.27. Composicin en fraccin molarFuente: Software Hysys 3.2Luego hacer clic en OK. Y al cerrar esta ventana y volver al PDF se tiene las tres corrientes ingresadas.Como se muestra en la ventana del PFD, hay tres corrientes. El color celeste indica que las corrientes no estn completamente definidas, si vemos en las Figuras anteriores, en la parte inferior hay una barra de color amarillo (color que indica que falta definir algunos parmetros) y a su vez nos da la informacin de que parmetro nos falta definir.FIGURA 2.28. Corrientes creadasFuente: Software Hysys 3.2Tambin podemos ver las composiciones de las corrientes posicionndonos en el Workbook.FIGURA 2.29. Composicin de Corrientes en el WorkbookFuente: Software Hysys 3.2Ahora se puede guardar el trabajo2.1.3.9 Clculos InstantneosHYSYS puede efectuar cinco tipos de clculos instantneos sobre las corrientes: P-T, Vf-P, Vf-T, P-Entalpa Molar y T-Entalpa Molar. Una vez que la composicin de la corriente y dos parmetros cualquiera de temperatura, presin, fraccin de vapor o la entalpa molar son conocidas, HYSYS realiza un clculo instantneo en la corriente, calculando los otros dos parmetros.Nota:Solamente dos de los 4 parmetros de corriente temperatura, presin, fraccin de vapor o la entalpa molar pueden ser suministrados.Con las capacidades instantneas de HYSYS, se logra realizar clculos de punto de roco y punto de burbujeo. Especificando una fraccin de vapor de 1 y ya sea la presin o la temperatura de la corriente, HYSYS calcular la temperatura del roco o la presin. Para calcular la temperatura de burbuja o la presin, debe introducirse una fraccin de vapor de 0 y cualquier presin o cualquiera temperatura.2.1.3.10 Ejemplos de Clculos Instantneos1. Efectuar un clculo instantneo T-P en la corriente Tolueno. Hacer doble click en la corriente Tolueno.FIGURA 2.30. Composicin de Corrientes de ToluenoFuente: Software Hysys 3.2Fijar la presin en 101.3 kpa (14.7 psia) y la temperatura en 90 C (200 F). Cul es la fraccin de vapor? FIGURA 2.31. Composicin del workbookFuente: Software Hysys 3.2Respuesta. La fraccin de vapor es 0. El cambio de color de la barra inferior a verde indica que la corriente Tolueno ha sido definida completamente2. Efectuar un clculo de punto de roco en la corriente Tolueno. Establecer la presin en 101.3 kpa (14.7 psia). Cul es la temperatura de punto de roco?.FIGURA 2.32. Punto de RociFuente: Software Hysys 3.2Respuesta. La temperatura de Punto de Roci es 99.99 C3. Efectuar un clculo de punto de burbuja en la corriente Tolueno. Establecer la presin en 101.3 kpa (14.7 psia). Cul es la temperatura de punto de burbuja? FIGURA 2.33. Punto de burbujaFuente: Software Hysys 3.2Respuesta. La temperatura de Punto de Burbuja es 89.65 C. Para hacer los clculos hemos tenido que definir completamente la corriente Tolueno. Si vamos al PFD veremos que tiene color diferente a las dems corrientes Etanol y Aire que an faltan especificar algunos parmetros para definirlas completamente.FIGURA 2.34. Corriente totalmente definida2.1.3.11 HYSYS Y TERMODINMICALos paquetes de propiedades incorporados en HYSYS proveen predicciones precisas de propiedades termodinmicas, fsicas y de transporte para hidrocarburo, no-hidrocarburo y fluidos qumicos y producto petroqumicos.La base de datos consta de ms de 1500 componentes y ms de 16000 coeficientes binarios. Si un componente de la biblioteca no puede ser encontrado dentro de la base de datos, estn disponibles una serie de mtodos de estimacin para crear completamente componentes hipotticos definidos.2.1.3.12 Seleccin de un paquete de propiedadesLa siguiente tabla lista algunos sistemas tpicos y correlaciones recomendadas:TABLA 2.2. Opciones TermodinmicasEOS : Ecuacin de estadoPR : Peng RobinsonPRSV : Peng Robinson modificadaSour PR : Peng Robinson modificadaSRK : Soave-Redlick-KwongSour SRK : Soave-Redlick-Kwong modificadaZJ : Zudkevitch JoffeeKD : Kabadi DannerLKP : Lee Kesler PlockerFuente: Tutorial Hysys 3.22.1.3.13 Ecuacin de EstadoPara petrleo, gas y aplicaciones petroqumicas, la ecuacin de estado de Peng-Robinson EOS (PR) es generalmente la recomendada. HYSYS actualmente ofrece las ecuaciones de estado de Peng-Robinson (PR) y Soave-Redlich-Kwong (SRK). En adicin, HYSYS ofrece varios mtodos los cuales son modificaciones de estos paquetes de propiedades, incluyendo PRSV, Zudkevitch Joffee (ZJ) y Kabadi Danner (KD). Lee Kesler Plocker (LKP) es una adaptacin de las ecuaciones de Lee Kesler para mezclas, las cuales por si mismas fueron modificadas de la ecuacin BWR. De todas estas, la ecuacin de estado Peng-Robinson soporta un amplio rango de condiciones de operacin y una gran variedad de sistema. Las ecuaciones de estado (EOS) de Peng-Robinson y Soave-Redlich-Kwong generan directamente todas las propiedades de equilibrio y termodinmicas. Las opciones del paquete de propiedades para Peng-Robinson son PR, Sour PR, y PRSV. Las opciones de la ecuacin de estado Soave-Redlich-Kwong son SRK, Sour SRK, KD y ZJ. Para la industria qumica debido a la ocurrencia comn de sistemas altamente no-ideales, puede ser considerada la ecuacin PRSV EOS. Esta es una modificacin de la ecuacin de estado PR que extiende la aplicacin del mtodo original PR para sistemas altamente no-ideales.2.1.3.14 Modelos para Actividades Los modelos de actividad producen los mejores resultados cuando son aplicados en la regin de operacin para la cual los parmetros de interaccin fueron obtenidos.La siguiente es un breve resumen de las opciones termodinmicas recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes aplicaciones.TABLA 2.3. Modelos de ActividadesAplicacinMargulesvanLaarWilsonNRTLUNIQUACSistemas binariosAAAAASistemas de Mltiple componentesLALAAAASistemas azeotrpicosAAAAAEquilibrio Liquido-LiquidoAAN/AAASistemas diluidos??AAASistemas de asociacin individual??AAAPolmerosN/AN/AN/AN/AAExtrapolacin??GGG A = Aplicable N/A = No Aplicable ? = Cuestionable G = Bueno LA = Aplicacin Limitada Fuente: Tutorial Hysys 3.22.1.3.15 Propiedades Fsicas y TermodinmicasEjemplo: Determinar las propiedades fsicas para el Benceno y Tolueno1. Iniciar sesin: Abrir Hysys y desde el Men File, seleccionar New / Case. Esto abrir el Simulation Basis Manager.2. Adicionar los componentes. 3. Modelo Termodinmico: En la ventana del Simulation Basis Manager seleccionamos la etiqueta Fluid Pkgs y en la nueva ventana que aparece hacer clic en el botn Add. Aparece el Fluid Package denominado por defecto Basis-1, Cambiamos de nombre (PropFisicas-1) De la lista de denominada Property Package Selection seleccionamos el mtodo de Wilson ya que es el mas adecuado para este sistema. El modelo para el Vapor deber ser el de SRK ( Soave-Redlich-Kwong) ya que el sistema es no ideal. Note que la seleccin por defecto es Ideal.FIGURA 2.35. Eleccin de modelo termodinmicoFuente: Software Hysys 3.22.2 Marco Terico de la Destilacin2.2.1 Definicin de DestilacionDestilacin, proceso que consiste en calentar un lquido hasta que sus componentes ms voltiles pasan a la fase de vapor y, a continuacin, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma lquida por medio de la condensacin. El objetivo principal de la destilacin es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales voltiles de los no voltiles. En la evaporacin y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos voltil; el componente ms voltil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilacin es obtener el componente ms voltil en forma pura. Por ejemplo, la eliminacin del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporacin, pero la eliminacin del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilacin, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullicin) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fcilmente la separacin completa en una destilacin individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de slidos disueltos (principalmente sal comn), puede purificarse fcilmente evaporando el agua, y condensando despus el vapor para recoger el producto: agua destilada. Para la mayora de los propsitos, este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la ms importante el dixido de carbono.Si los puntos de ebullicin de los componentes de una mezcla slo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separacin total en una destilacin individual. Un ejemplo importante es la separacin de agua, que hierve a 100 C, y alcohol, que hierve a 78,5 C. Si se hierve una mezcla de estos dos lquidos, el vapor que sale es ms rico en alcohol y ms pobre en agua que el lquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolucin que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentacin) para obtener una disolucin que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces ms, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones.2.2.2 tipos de DestilacionDestilacin Simple, donde separamos dos componentes por su diferencia de volatilidad y punto de ebullicinDestilacin Fraccionada es una variante de la destilacin simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar lquidos con punto de ebullicin cercanos.La principal diferencia que tiene con la destilacin simple es el uso de una columna de fraccionamiento. sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el lquido condensado que desciende, por la utilizacin de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los lquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los lquidos con menor punto de ebullicin se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullicin pasan al estado lquido.Destilacin a Vaco es la operacin complementaria de destilacin del crudo procesado en la unidad de destilacin atmosfrica, que no se vaporiza y sale por la parte inferior de la columna de destilacin atmosfrica. El vaporizado de todo el crudo a la presin atmosfrica necesitara elevar la temperatura por encima del umbral de descomposicin qumica y eso, en esta fase del refino de petrleo, es indeseable.El residuo atmosfrico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de destilacin atmosfrica, se bombea a la unidad de destilacin a vaco, se calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400C, similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilacin atmosfrica, y se introduce en la columna de destilacin. Esta columna trabaja a vaco, con una presin absoluta de unos 20mm de Hg, por lo que se vuelve a producir una vaporizacin de productos por efecto de la disminucin de la presin, pudiendo extraerle ms productos ligeros sin descomponer su estructura molecular.En la unidad de vaco se obtienen solo tres tipos de productos: Gas Oil Ligero de vaco (GOL). Gas Oil Pesado de vaco (GOP). Residuo de vaco. Los dos primeros, GOL y GOP, se utilizan como alimentacin a la unidad de craqueo cataltico despus de de sulfurarse en una unidad de hidrodesulfuracin (HDS).El producto del fondo, residuo de vaco, se utiliza principalmente para alimentar a unidades de craqueo trmico, donde se vuelven a producir ms productos ligeros y el fondo se dedica a producir fuel oil, o para alimentar a la unidad de produccin de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo el residuo de vaco puede ser materia prima para producir asfaltos.Destilacin Azeotrpica es una de las tcnicas usadas para romper un azetropo en la destilacin. Una de las destilaciones ms comunes con un azetropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando tcnicas normales de destilacin, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.Una vez se encuentra en una concentracin de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentracin del vapor de la mezcla tambin es de 95/5% etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azetropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentracin.En uno de los mtodos se adiciona un material agente de separacin. Por ejemplo, la adicin de benceno a la mezcla cambia la interaccin molecular y elimina el azetropo. La desventaja, es la necesidad de otra separacin para retirar el benceno. Otro mtodo, la variacin de presin en la destilacin, se basa en el hecho de que un azetropo depende de la presin y tambin que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azetropo se salta, la destilacin puede continuar.Para saltar el azetropo, el azetropo puede ser movido cambiando la presin. Comnmente, la presin se fija de forma tal que el azetropo quede cerca del 100% de concentracin, para el caso del etanol, ste se puede ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%. Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se enva a una columna de destilacin que est a una presin diferente, se mueve el azetropo a una concentracin menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla est por encima de la concentracin azeotrpica actual, la destilacin no se pegar en este punto y el etanol podr ser destilado a cualquier concentracin necesaria.Para lograr la concentracin requerida para el etanol como aditivo para la gasolina se usan comnmente tamices moleculares en la concentracin azeotrpica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95% de concentracin, que permite destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede ser reutilizado.Destilacin por Arrastre de Vapor de agua se lleva a cabo la vaporizacin selectiva del componente voltil de una mezcla formada por ste y otros "no voltiles". Lo anterior se logra por medio de la inyeccin de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominndose este "vapor de arrastre", pero en realidad su funcin no es la de "arrastrar" el componente voltil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que ceder su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporacin. En este caso se tendrn la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilacin (orgnica y acuosa), por lo tanto, cada lquido se comportar como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercer su propia presin de vapor y corresponder a la de un lquido puro a una temperatura de referenciaLa condicin ms importante para que este tipo de destilacin pueda ser aplicado es que tanto el componente voltil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado (voltil) formar dos capas al condensarse, lo cual permitir la separacin del producto y del agua fcilmente. Como se mencion anteriormente, la presin total del sistema ser la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgnica y del agua, sin embargo, si la mezcla a destilar es un hidrocarburo con algn aceite, la presin de vapor del aceite al ser muy pequea se considera despreciable para efecto de los clculos: P = Pa + PbDonde: P = presin total del sistema Pa= presin de vapor del agua Pb= presin de vapor del hidrocarburo Por otra parte, el punto de ebullicin de cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presin total del sistema es igual a la presin del confinamiento. Y como los dos lquidos juntos alcanzan una presin dada, ms rpidamente que cualquiera de ellos solos, la mezcla hervir a una temperatura ms baja que cualquiera de los componentes puros. En la destilacin por arrastre es posible utilizar gas inerte para el arrastre. Sin embargo, el empleo de vapores o gases diferentes al agua implica problemas adicionales en la condensacin y recuperacin del destilado o gas. El comportamiento que tendr la temperatura a lo largo de la destilacin ser constante, ya que no existen cambios en la presin de vapor o en la composicin de los vapores de la mezcla, es decir que el punto de ebullicin permanecer constante mientras ambos lquidos esten presentes en la fase lquida. En el momento que uno de los lquidos se elimine por la propia ebullicin de la mezcla, la temperatura ascender bruscamente. Si en mezcla binaria designamos por na y nb a las fracciones molares de los dos lquidos en la fase vapor, tendremos: Pa = na P Pb = nbP dividiendo: Pa = na P = na Pb nb P nb na y nb son el numero de moles de A y B en cualquier volmen dado de vapor, por lo tanto: Pa = na Pb nb y como la relacin de las presiones de vapor a una "T" dada es constante, la relacin na/nb, debe ser constante tambin. Es decir, la composicin del vapor es siempre constante en tanto que ambos lquidos estn presentes. Adems como: na = wa/Ma y nb= wb/Mb donde: wa y wb son los pesos en un volumen dado y Ma, Mb son los pesos moleculares de A y B respectivamente. La ecuacin se transforma en: Pa = na = waMb Pb nb wbMa O bien: wa = MaPa wb MbPb Esta ltima ecuacin relaciona directamente los pesos moleculares de los dos componentes destilados, en una mezcla binaria de lquidos. Por lo tanto, la destilacin por arrastre con vapor de agua, en sistemas de lquidos inmiscibles en sta se llega a utilizar para determinar los pesos moleculares aproximados de los productos o sustancias relacionadas. Es necesario establecer que existe una gran diferencia entre una destilacin por arrastre y una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases lquido-vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la destilacin simple, por lo tanto no es posible realizar diagramas de equilibrio ya que en el vapor nunca estar presente el componente "no voltil" mientras este destilando el voltil. Adems de que en la destilacin por arrastre de vapor el destilado obtenido ser puro en relacin al componente no voltil (aunque requiera de un decantacin para ser separado del agua), algo que no sucede en la destilacin simple donde el destilado sigue presentando ambos componentes aunque ms enriquecido en alguno de ellos. Adems si este tipo de mezclas con aceites de alto peso molecular fueran destiladas sin la adicin del vapor se requerira de gran cantidad de energa para calentarla y empleara mayor tiempo, pudindose descomponer si se trata de un aceite esencial.Destilacin Destructiva Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponindose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operacin, Las aplicaciones ms importantes de este proceso son la destilacin destructiva del carbn para el coque, el alquitrn, el gas y el amonaco, y la destilacin destructiva de la madera para el carbn de lea, el cido etanoico, la propanona y el metanol. Este ltimo proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petrleo es similar a la destilacin destructiva.2.2.3 CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE PLATOS.Factores importantes en el diseo y operacin de columnas de platos son el nmero de platos que se requieren para obtener una determinada separacin, el dimetro de la columna, el espaciado entre los platos, la eleccin del tipo de plato y los detalles constructivos de los platos.En consonancia con los principios generales, el anlisis de las columnas de platos se basa en balances de materia, balances de energa y equilibrios entre fases.Balances globales de materia para sistemas de dos componentes. La Figura 6 es un diagrama del balance de materia para una planta tpica de destilacin continua. La columna se alimenta con F mol/h de concentracin xF y genera D mol/h del producto de cabeza de concentracin xD y B mol/h de producto de cola de concentracin xs. Se pueden escribir dos balances globales de materia independientesBalance total de materia: F=D+B (1)Balance del componente A: FxF, = D x , + BxB, (2)Eliminando B de estas ecuaciones se obtiene (3)Eliminando D resulta (4)Las Ecuaciones (3) y (4) son aplicables para todos los valores de los flujos de vapor y lquido en el interior de la columna.Caudales molares. La magnitud D es la diferencia entre los caudales molares de las corrientes que entran y salen por la parte superior de la columna. Un balance de materia alrededor del condensador y del acumulador de la Figura 6 conduce a D = Va - La (5)La diferencia entre los caudales molares del vapor y del lquido en cualquier parte de la seccin superior de la columna es tambin igual a D, tal como se deduce considerando la parte de la planta encerrada por la superficie de control Z de la Figura 2.34. Esta superficie incluye el condensador y todos los platos por encima de n + 1. Un balance total de materia alrededor de esta superficie de control conduce aD = Vn-1 - Ln (6)FIGURA 2.36. Diagrama de balances de materia para una columna de fraccionamiento contino.Fuente: Operaciones Unitarias de GiankopolisPor tanto, D es el caudal molar de materia que asciende en la seccin superior de la columna. Con independencia de cambios en V y L, su diferencia es constante e igual a D.Balances similares para el componente A dan lugar a las ecuaciones (7)El producto Dx, es el caudal neto del componente A que asciende en la seccin superior de la columna, que es tambin constante a travs de esta parte del equipo.En la seccin inferior de la columna las velocidades de flujo neto son tambin constantes pero su sentido es descendente. El flujo neto total de materia es igual a B y el del componente A es Bx,. Se aplican las siguientes ecuaciones:B=Lb- Vb=Lm- Vm+1 (8)BxB, = Lbxb - VbYb = Lmxm - Vm+1+Ym+ 1 (9)Se utiliza m en vez de n para representar un plato general de la seccin de agotamiento.Lnea de operacin. Puesto que hay dos secciones en la columna, hay tambin dos lneas de operacin, una para la seccin de enriquecimiento y otra para la seccin de agotamiento. Consideremos primeramente la seccin de enriquecimiento.Tal como se ha visto la lnea de operacin para esta seccin es (10)Sustituyendo el valor de Vaya - Laxa de la Ecuacin (10) se obtiene (11)La pendiente de la lnea definida por la Ecuacin (11), como es habitual, es la relacin entre el flujo de la corriente de lquido y el de la corriente de vapor.Para un posterior anlisis es conveniente eliminar Vn+1 de la Ecuacin (11) mediante la Ecuacin (3), dando (12)Para la seccin de la columna por debajo del plato de alimentacin, aplicando un balance de materia a la superficie de control II de la Figura 2.34, se obtiene (13)Que puede escribirse en esta forma (14)Que es la lnea de operacin para la seccin de agotamiento. Nuevamente la pendiente es la relacin entre el flujo de lquido y el flujo de vapor. Eliminando Vm+1 de la Ecuacin (14) por medio de la Ecuacin (7) se obtiene2.3 marco teorico de reactores2.3.1 Definicin de Reaccin Qumica. Se conoce como reaccin qumica a aquella operacin unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los tomos de ciertas molculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar fsico donde se llevan a cabo las reacciones qumicas se denominan REACTOR QUMICO. Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o desarrollar una reaccin qumica son: Condiciones de presin, temperatura, y composicin necesarias para que los materiales entren en estado de reaccin. Las caractersticas termodinmicas y cinticas de la reaccin Las fases (slido, lquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la reaccin Formas de cambios qumicos: Descomposicin, consiste en que una molcula se divide en molculas ms pequeas, tomos o radicales. Combinacin, sta se realiza cuando una molcula o tomo se une con otra especie para formar un compuesto nuevo. Isomerizacin, en este caso la molcula no efecta ninguna descomposicin externa o adicin a otra, es simplemente un cambio de configuracin estructural interna. Clases de Reacciones Qumicas. Reacciones Homogneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya sea gaseosa, slida, o lquida. Reacciones Heterogneas: Cuando se requiere la presencia de al menos dos fases para que tenga lugar la reaccin a una velocidad deseada. Reacciones Enzimticas: Utilizan catalizadores biolgicos (protenas con alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas temperaturas) Reacciones Catalticas: Son aquellas reacciones que requieren de una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reaccin; esta sustancia por su mera presencia provoca la reaccin qumica, reaccin que de otro modo no ocurrira. Reacciones No Catalticas: Los materiales reactantes no necesitan ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reaccin qumica. Reacciones Autocatalticas: En esta reaccin, uno de los productos formados acta como catalizador, participando en otra etapa del proceso donde velocidad de reaccin es ms rpido que en la primera. Reacciones Endotrmicas: Son aquellas que adsorben calor del exterior. Reacciones Exotrmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el exterior. 2.3.2 Definicin de Reactor Qumico. Un reactor qumico es una unidad procesadora diseada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones qumicas. Dicha unidad procesadora est constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con lneas de entrada y salida para sustancias qumicas, y est gobernado por un algoritmo de control. Los reactores qumicos tienen como funciones principales: Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensin deseada de la reaccin. Permitir condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinmicos y cinticos de la reaccin. Ecuacin de Rendimiento. Es aquella expresin matemtica que relaciona la salida con la entrada en un reactor qumico, para diversas cinticas y diferentes modelos de contacto. Modelo de Contacto: Est referido a como los materiales circulan a travs del reactor y se contactan unos con otros dentro de este, adems del tiempo que necesitan para mezclarse, y las condiciones y caractersticas de la incorporacin de material. Cintica: Est referido a cun rpido ocurren las reacciones, el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reaccin qumica; estas factores estn condicionados por la transferencia (balance) de materia y energa. El balance de masas esta dado por la relacin: ENTRA SALE + GENERA DESAPARECE = ACUMULA El balance de energa esta dado por la relacin: ENTRA SALE + GENERA - TRANSMITE = ACUMULA TIPOS DE REACTORES QUMICOS Existen infinidad de tipos de reactores qumicos, y cada uno responde a las necesidades de una situacin en particular, entre los tipos ms importantes, ms conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:a) REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reaccin, sino ms bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presin y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reaccin y los reactantes no convertidos. Tambin es conocido como reactor tipo Batch. b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reaccin qumica al interior del reactor, ste se alimenta constantemente de material reactante, y tambin se retira ininterrumpidamente los productos de la reaccin. c) REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reaccin, se va retirando productos y tambin incorporando ms material de manera casi contina. d) REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operacin continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una direccin espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningn intento por inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro. e) TANQUE CON AGITACIN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitacin del contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulacin y as producir una mezcla uniforme. f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde intervengan un slido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a travs de las partculas slidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rpido de partculas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formacin de zonas calientes. g) REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o ms tubos empacados con partculas de catalizador, que operan en posicin vertical. Las partculas catalticas pueden variar de tamao y forma: granulares, cilndricas, esfricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metlicos como el platino, no se emplean partculas de metal, sino que ste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho est constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidacin de amoniaco y para la oxidacin del acetaldehdico a cido actico. h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el catalizador slido est presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a travs del lecho.i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a travs de un lecho formado por slidos. El slido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior. j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a travs de un lquido con el que puede reaccionar, porque el lquido contiene un catalizador disuelto, no voltil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa. k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIN. Son similares a los reactores de burbujeo, pero la fase lquida esta formada por una suspensin de lquidos y partculas finas del catalizador slido. l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posicin, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reaccin es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeo en comparacin con el tiempo de permanencia en el reactor. En la prctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y est bien agitada m) REACTORES DE RECIRCULACIN. Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor. n) REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reaccin y la separacin en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o ms) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido comnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reaccin estn limitados por el equilibrio. Tambin han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimticas y catalticas influyendo a travs de la membrana sobre la concentracin de una (o ms) especies intermedias, removindolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentracin baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface controlada entre dos o ms reactantes. o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una sopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricacin de antibiticos como la penicilina. p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de lquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partculas slidas catalticas, las caractersticas de las partculas slidas y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarn el rgimen de flujo del reactor y tambin sus propiedades fluido-dinmicas. Tambin se pueden mencionar los reactores ISOTRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y tambin los reactores ISOBRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presin constante. 2.3.3 Reactor CSTREl reactor CSTR, o reactor contino de tanque agitado, o reactor de retro mezcla, es un tanque equipado con facilidades para carga y descarga continua de material, para transferencia de calor y para agitacin de la masa reaccionante. Cuenta adems con la instrumentacin que permite medir y controlar variables como el volumen y la temperatura. Este reactor es ampliamente utilizado en reacciones en fase lquida y en sistemas heterogneos gas-lquido y slido-lquido.FIGURA 2.37. Esquemas de reactores CSTR.Fuente: Enseanza de reactores CSRTEn la operacin normal de un reactor CSTR se cumplen dos condiciones fundamentales: Mezcla perfecta: implica que todas las condiciones de operacin y las propiedades de transporte son iguales en cualquier punto de la masa reaccionante. Esta condicin se expresa en el nombre mismo del reactor: de retro mezcla. La mezcla perfecta depende de la geometra del reactor y de las facilidades de agitacin. Estado estacionario: El rgimen estacionario se refiere a que las condiciones de operacin (temperatura, presin y concentracin) no cambian durante el tiempo de operacin del reactor. Todo esto conlleva a modelar sin variaciones en la concentracin, temperatura o velocidad de reaccin en todos los puntos del reactor, es decir: ninguna de las variables es funcin del tiempo ni de la posicin en el reactor.Otra particularidad asociada a la utilizacin del reactor CSTR es la baja eficiencia relativa, es comparacin con otros reactores, con respecto a la relacin de conversin por unidad de volumen. La concentracin de reactivos en la corriente de entrada disminuye instantneamente dentro del reactor debido a la retro mezcla; la corriente de entrada se homogeniza dentro del reactor. A menor concentracin de reactivos en el reactor, menor velocidad de reaccin y por consiguiente, menor conversin por unidad de volumen.Dinmica del reactor CSTRFIGURA 2.38. Diagrama causal de la operacin del reactor CSTR con intercambio de calor, en el que ocurre una reaccin exotrmicaFuente: Enseanza de reactores CSRTEn el caso de una reaccin exotrmica, en un reactor CSTR, la dinmica del proceso est determinada por cuatro eventos: conversin de reactivos en productos, energa liberada por la reaccin, calor intercambiado con los alrededores y adems, intercambio de energa mediante las corrientes de entrada y salida del reactor. El ciclo de conversin de reactivos en productos es negativo: a mayor concentracin de reactivos, mayor velocidad de reaccin; a mayor velocidad de reaccin mayor concentracin de productos y a mayor concentracin de productos, menor concentracin de reactivos.El ciclo de liberacin de energa por reaccin qumica es positivo: a mayor velocidad de reaccin, ms energa liberada; a mayor energa liberada, mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor velocidad de reaccin.El ciclo de intercambio de calor es negativo: a mayor temperatura en el reactor, ms calor se retira; a mayor calor retirado, menor temperatura.Las corrientes de entrada y salida del reactor transportan energa interna por lo que se constituye un ciclo de control: el flujo de entrada de material aumenta la energa del sistema, E, a mayor energa total del sistema, mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor energa en la corriente de salida, a mayor energa que sale en la corriente de salida, menor energa en el reactor, completndose as un ciclo de retroalimentacin negativo. Es decir, los flujos de entrada y salida de material al reactor CSTR hacen parte del sistema de control de temperatura.BALANCE MOLARPara conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento de un reactor CSTR, es necesario establecer unos conocimientos bsicos, empezaremos por definir de manera sencilla que es un balance: en un balance contamos la cantidad de una sustancia (como las moles de una especie qumica) o magnitud (como la energa) que entra, sale, acumula y/o se genera de dentro de un sistema.Balance molar del reactor CSTR:Donde representa el flujo de moles de j que entran al reactor , representa el flujo de moles de j que salen del reactor, el trmino integral de la velocidad de reaccin de j con respecto al volumen es la generacin de moles de j debido a la reaccin y por ltimo la variacin de con respecto al tiempo es la acumulacin de la especie j en el reactor.Debido a la agitacin continua la velocidad de reaccin no cambia con la posicin en el reactor, por lo tanto:Si el reactor opera en estado estacionario, es decir, las propiedades no cambian con el tiempo:Entonces,Despejando el volumen de reaccin se obtiene la primera ecuacin de diseo para un reactor CSTRBALANCE DE ENERGAUna reaccin qumica est acompaada por un efecto calrico, por lo tanto es importante conocer de qu manera se modifica la temperatura de la mezcla reaccionante.En el reactor CSTR la masa entra y sale del reactor constituyndose as un sistema abierto, por lo tanto parte de la energa intercambiada con el entorno se debe a ese flujo de masa que entra y sale del reactor, el resto de intercambio de energa se debe al trabajo efectuado por el reactor y al intercambio de calor con el entorno.En otras palabras se tiene: Donde: y significan la energa que se intercambia con el entorno debido a la masa que entra y sale del reactor respectivamente. Significa la cantidad de energa que se acumula dentro del reactor debido a la masa.es el flujo de calor que se intercambia con el entornose define como el trabajo de flujo y otros tipos de trabajo,El trabajo de flujo es el trabajo necesario para empujar la masa dentro o hacia fuera del reactor, y es definida como ,donde P es la presin y es el volumen especfico de la sustancia j, en estos trminos el trabajo se puede definir como:Reemplazando la ecuacin anterior en la ecuacin del balance de energa y reorganizando, se tiene: La energa , y es la suma de la energa interna , energa cintica, energa potencial, energa elctrica o cualquier otra clase de energa que est asociada a la sustancia j , pero en la mayora de casos la contribucin de la energa cintica, energa potencial y las dems clases de energa resultan insignificantes al compararlos con la entalpia o el intercambio de calor por lo que se omitirn, recordando adems la relacin entre entalpia, energa interna y el producto entonces se obtiene: La entalpa que entra o sale del reactor se puede expresar como la suma de la energa interna introducida o extrada del reactor por el flujo de masa ms el trabajo de flujo, para la masa de la sustancia j que entra y sale del reactor respectivamente, se llega a:Si consideramos que el reactor opera en estado estable, el trmino que involucra acumulacin de energa se hace nulo, es decir:El balance energa definitivo para un reactor CSTR ser entonces:Dejando el flujo de sustancia j que sale del reactor en funcin del flujo del componente de referencia A, el parmetro y la conversin de A, logramos simplificar y llegar a otras definiciones ms manejables.El flujo de sustancia j que entra al reactor tambin se puede dejar en funcin del flujo del componente A y el parmetro Flujo de calor hacia el reactor Q El intercambiador de calor es el dispositivo encargado de transmitir el flujo de calor hacia el reactor, y las variables que suelen usarse son el coeficiente global de transferencia de calor, U, el rea de intercambio de calor, A, la temperatura ambiente y la temperatura dentro del reactor, T.El coeficiente global de transferencia de calor se define como la resistencia trmica entre dos fluidos separados por una pared de cualquier geometra y se calcula considerando la resistencia trmica conductiva y convectiva presente entre los fluidos. Por ejemplo para dos fluidos que baan una pared cilndrica el valor de U se calcula as:Donde y hacen referencia al coeficiente convectivo de transferencia de calor del fluido interno y externo respectivamente, L es la longitud del cilindro y A es el rea de transferencia de energa.En adelante no se mencionar como calcular el coeficiente global de calor, ni su rea de transferencia, sino se asumir que ya se tiene el valor UA del reactor.El flujo de calor trasmitido hacia el reactor se puede expresar en funcin de la media logartmica de los incrementos de temperatura en los extremos del intercambiador.La deduccin de la ecuacin de transferencia de calor del intercambiador al reactor en funcin de la diferencia logartmica media, se puede encontrar en un libro de transferencia de calor como el "Transferencia de calor Anthony F, Mills" en el captulo 8 de la versin en espaol.Si el intercambiador opera en estado estacionario, es decir, la energa no se acumula dentro del intercambiador, el balance de energa del intercambiador de calor seria:donde es la capacidad calorfica del fluido del intercambiador (la letra c hace alusin a la chaqueta) y es una temperatura de referencia, eliminando algunos trminos y reorganizando:Al despejar la temperatura del fluido a la salida del intercambiador en la ecuacin anterior:Si se reescribe reemplazando el valor de , obtenemos:oPara velocidades de flujo de fluido del intercambiador elevadas podemos llegar a la siguiente aproximacin:Debido a la elevada velocidad de flujo no se considerara una diferencia significativa entre la temperatura del fluido en la entrada y la salida del intercambiador, por lo tanto :CONCENTRACINComo el reactor CSTR es un sistema de flujo continuo, la concentracin en un punto dado puede ser determinada de la velocidad de flujo molar y de la velocidad de flujo volumtrico v, as:De forma general:Entonces, se puede escribir las concentraciones de A,B,C y D para la reaccin general en trminos de las velocidades de flujo iniciales, la conversin y la velocidad de flujo volumtrico: Para simplificar las ecuaciones, se usa el parmetro :Para reacciones en fase liquida que tienen lugar en solucin, los cambios en la densidad del soluto no afectan la densidad total de la solucin significativamente, esto es esencialmente un proceso de reaccin a volumen constante; como consecuencia , entonces:De forma general:2.4 Creacin del modeloPara poder llevar a cabo esta simulacin el modelo se creara en el simulador de Hysys 3.2. Siendo el siguiente:FIGURA 2.39. Modelo a simularFuente: Elaboracin propiaEste modelo nos permitir producir Etilen Glycol, por reaccin del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separacin en una columna de destilacin2.5 Proceso de simulacinEl proceso de simulacin a llevar a cabo ser para realizar la simulacin estacionaria y la simulacin dinmica de un proceso qumico en el ambiente del simulador de procesos Hysys. Se indican las facilidades para construir el flowsheet, resolver los balances de masa y energa, y preparar el caso para correrlo en modo dinmico.2.6 Clasificacin de la simulacin a utilizar1. Simulacin Discreta: modelacin de un sistema [...] por medio de una representacin en la cual el estado de las variables cambian instantneamente en instante de tiempo separados. (En trminos matemticos [...] el sistema solo puede cambiar en instante de tiempo contables)2. Simulacin Continua: modelacin [...] de un sistema por medio de una representacin en la cual las variables de estado cambian continuamente en el tiempo. Tpicamente, los modelos de simulacin continua involucran ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de cambios de las variables de estado en el tiempo.3. Simulacin Combinada Discreta-Continua: modelacin de un sistema por medio de una representacin en la cual unas variables de estado cambian continuamente con respecto al tiempo y otras cambian instantneamente en instante de tiempo separados.Es una simulacin en la cual interactan variables de estado discretas y continuas.Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo de simulaciones: Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una variable de estado continua. Un evento discreto puede causar que la relacin que gobierna una variable de estado continua cambie en un instante de tiempo en particular. Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un evento discreto ocurra, o sea, programado. 4. Simulacin Determinstica y/o Estocstica: una simulacin determinstica es aquella que utiliza nicamente datos de entra determinsticos, no utiliza ningn dato de entrada azaroso. En cambio un modelo de simulacin estocstico incorpora algunos datos de entrada azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad.5. Simulacin esttica y dinmica: La simulacin esttica es aquella en la cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con la dinmica en la cual si es muy importante.6. Simulacin con Orientacin hacia los eventos: modelaje con un enfoque hacia los eventos, en el cual la lgica del modelo gira alrededor de los eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos los eventos, entidades, atributos y variables del modelo en todo momento.7. Simulacin con Orientacin hacia procesos: modelaje con un enfoque de procesos, en el cual la lgica del modelo gira alrededor de los procesos que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en un esquema de flujo grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento a la entidad a travs de la secuencia de procesos que debe seguir. La simulacion a utilizar como se menciono en el punro anterior sera la Estatica y Dinamica.2.7 ETILENGLICOLEl Etilenglicol (sinnimos: 1,2-Etanodiol, glicol de etileno, 1,2-dioxietano, glicol) es un compuesto qumico que pertenece al grupo de los glicoles. El etilenglicol es un lquido transparente, incoloro, ligeramente espeso como el almbar, a temperatura ambiente es poco voltil, pero puede existir en el aire en forma de vapor, el etilenglicol es inodoro pero tiene un sabor dulce. Se fabrica a partir de la hidratacin del xido de etileno (epxido cancergeno).Se utiliza como anticongelante en los circuitos de refrigeracin de motores de combustin interna, como difusor del calor, para fabricar compuestos de polister, y como disolventes en la industria de la pintura y el plstico. El etilenglicol es tambin un ingrediente en lquidos para revelar fotografas, fluidos para frenos hidrulicos y en tinturas usadas en almohadillas para estampar, bolgrafos, y talleres de imprenta.Representacin del EtilenglicolNombre (IUPAC) sistemtico 1,2-EtanodiolFrmula molecular C2H6O2PRODUCCIONEl etilenglicol se produce a partir de etileno, mediante el compuesto intermedio xido de etileno. El xido de etileno reacciona con agua produciendo etilenglicol segn la siguiente ecuacin qumicaC2H4O + H2O HOCH2CH2OHEsta reaccin puede ser catalizada mediante cidos o bases, o puede ocurrir en un pH neutro a temperaturas elevadas. La mayor produccin de etilenglicol se consigue con un ph cido o neutro en presencia de abundante agua. Bajo estas condiciones, se puede obtener una productividad del 90%. Los principales subproductos obtenidos son dietilenglicol, trietilenglicol, y tetraetilenglicol.USOSEl etilenglicol se emplea como anticongelante en sistemas de refrigeracin y calefaccin, como disolvente en las industrias de pinturas y plsticos y como ingrediente de los lquidos des congelantes utilizados en las pistas de los aeropuertos. Se utiliza en lquidos hidrulicos para frenos, en la dinamita de bajo punto de congelacin, en tintes para madera, en adhesivos, en tintes para el cuero y en el tabaco. Tambin sirve como deshidratante del gas natural, como disolvente de tintas y pesticidas y como ingrediente de condensadores electrolticos. 2.8 DIETILENGLICOLEs de la familia de los alcoholes es un lquido viscoso, incoloro e inodoro de sabor dulce. Es higroscpico (propiedad de algunas sustancias de absorber y exhalar la humedad segn el medio en que se encuentran), miscible en agua, alcohol, etilenglicol, etc... Se absorbe rpidamente por las vas digestivas y respiratorias y por contacto prolongado por la piel. El mecanismo de metabolizacin es llevado a cabo en el hgado y rin, y la dosis letal para humanos se estima en un rango entre 0.014 a 0.170 miligramos de dietilenglicol por kilogramo de peso.PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICASApariencia: Lquido, claro, incoloro, prcticamente inodoro, sabor dulzosoGravedad Especfica (Agua=1): 1.1184 / 20CPunto de Ebullicin (C): 245.8Punto de Fusin (C): -7Densidad Relativa del Vapor (Aire=1): No reportadaPresin de Vapor (mm Hg): 0.01 / 30CViscosidad (cp): 0.30 / 25CpH: N.A.Solubilidad: Soluble en agua, etanol, acetona, ter. Insoluble en benceno, tolueno, tetracloruro de carbono.USOSEl dietilenglicol es un humectante para el tabaco, la casena, las esponjas sintticas y los productos de papel. Tambin se encuentra en compuestos de corcho, adhesivos de encuadernacin, lquidos de freno, lacas de barnizado, cosmticos y soluciones anticongelantes para sistemas de aspersin. El dietilenglicol se utiliza en las juntas hidrulicas de los depsitos de gas, para la lubricacin y el acabado de tejidos, como disolvente de colorantes de tina y como agente deshidratante del gas natural. 2.9 xido de etilenoEl xido de etileno es un gas inflamable de aroma ms bien dulce. Se disuelve fcilmente en agua.El xido de etileno es una sustancia qumica manufacturada usada principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia qumica usada para fabricar anticongelante y polister).Una pequea cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en ciertos productos agrcolas almacenados, y una cantidad muy pequea se usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos mdicos.Otros nombres: EpoxietanoFrmula semidesarrollada: C2H4OPropiedades fsicasDensidad:899 kg/m3; 0,899 g/cm3Masa molar:44.05 g/molPunto de fusin:161K (-112.1C)Punto de ebullicin:283.5K (10.4C)Propiedades qumicasSolubilidad en agua:MiscibleCAPTULO IIIPLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA3.1 Metodologa de la Investigacin El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reaccin del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separacin e