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Módulo Thtorial de Simulación para el Cálculode Torres de Destilación por Etapas

Hermes A. Rangel Jara= , Gustavo Alberto Rodríguez Gómez**, Juan Carlos Rosas Molina**

REsUMEN

En este artículo se presenta un software desarrollado parala enseñanza del proceso de destilación por etapas, enfocadopara ser utilizado por los estudiantes de pregrado de IngenieríaQuímica. Se expone en él un marco general de los procesosde separación, haciendo énfasis en el proceso de ladestilación, sus orígenes, su importancia y sus perspectivas.Posteriormente se desarrolla el tema del equilibrio de fases,que,junto con el concepto de etapa de equilibrio, fundamentanel cálculo de la destilación por etapas. En este último aspectose realiza una explicación de los modelos matemáticos másrepresentativos para las mezclas binarias, de una manerarelativamente completa, mientras que se establece unaaproximación al estudio de algunos modelos para mezclasmulticomponentes. Para esto se implementan programastutores, que presentan paso a paso el procedimiento pararesolver un problema planteado por el usuario, a la vez que seobtienen los resultados. Además, con una intención centradaen solucionar un problema sin revisar el procedimiento decálculo, se adicionan programas simuladores para losdiferentes modelos estudiados.

ABSTRACT

This article presents a computer program developed forteaching of the stagewise distillation process, to be used byundergraduate chemical engineering students.Tt exposes aseparation processes overview, emphasizing in distillation,its origins, importance and prospects. Phase equilibrium isthen studied, as well as the equilibrium stage concept, bothfundamental for stagewise distillation calculations. In thelatter aspect an explanation of representative mathematicmodels is presented in a relatively complete way for binarymixtures, whereas an approximation is made to the studyof multicomponent mixture models. Tutor programs areimplemented presenting step-by-step procedures to solveuser specified problems at the time results are obtained.Moreover, with a problem solving focused intention,simulation programs are added for the different studiedmodels.

INTRODUCCIÓN

Ladestilación es el procedimiento de separación de especiesquímicas más extensamente utilizado en las industrias de

proceso. Pese a ser una técnica muy antigua, continúa a lavanguardia gracias a que posee una base tecnológica relativamentemadura, siendo el método de separación clave contra el cualotros métodos alternativos pueden compararse [2].

Desde sus inicios, la ingeniería química ha estado ligada aldesarrollo de la destilación, y son sus profesionales los que tienencompetencia más directa con ella. Lo anterior pone de manifiestola necesidad de una adecuada formación de los ingenierosquímicos en esta importante técnica. El trabajo que aquí sepresenta es un intento por proveer nuevas herramientas quecomplementen la formación académica tradicional en esta área.

La preparación del ingeniero químico no debe limitarse alconocimiento de los aspectos conceptuales de la operación,sino que debe complementarse con modelos matemáticos quesean representativos de las situaciones reales. En este sentido,la simulación de procesos brinda algunas herramientas quepermiten solucionar eficaz y eficientemente dichos modelos.

Sin lugar a dudas, la aparición del computador y el desarrollode la informática han influido de manera importante sobre lasociedad de fin de siglo en diversas áreas. En el campo de laeducación, el computador se ha convertido en una herramientaindispensable por diferentes razones: permite el manejo fácil yeficiente de la información, brinda la capacidad de desarrollartrabajos de diversa índole hábilmente, permite mayor interacciónentre el usuario y la información, etc. En la simulación deprocesos, el computador tiene la mayor relevancia, pues es elmedio para poder implementar los modelos matemáticos y hallarsoluciones satisfactoriamente. Lo anterior hace que sea elinstrumento esencial en el desarrollo de este trabajo, que enesencia es un software, que además de ser un simulador para elcálculo de torres de destilación por etapas, es un tutor de laoperación.

• Ingeniero Químico, M.Sc.I.Q., profesor titular, Universidad Nacional de Colombia ... Ingeniero Químico, Universidad Nacional de Colombia.

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Algunos programas de esta índole están siendo desarrolladosen diferentes universidades de otros países, y es la intenciónde este trabajo introducir la enseñanza de la Ingeniería Químicade la Universidad Nacional en esta tendencia global de crearalternativas pedagógicas, que utilicen las bondadestecnológicas y la gran versatilidad que representa la tecnologíacomputacional. Además, se busca promover la creación detrabajos orientados en la misma dirección en diferentes áreasde la ingeniería química, con la intención de poder crear unsoftware académico integral.

l. LA GUÍA TUTORlAL DE DESTILACIÓN

En el software desarrollado se presenta una recopilaciónteórica de la destilación, que recoge los aspectos conceptualesnecesarios para una razonable cobertura de las nociones básicasque permiten el entendimiento de la operación, así como elestudio de la misma.

Figura l. Pantalla de inicio de la Guía tutorial de destilación.

Se expone primero un marco general de los procesos deseparación, destacando la vital importancia que tienen en losprocesos industriales, y luego ejemplos de su aplicación.Después de esta observación global, se realiza un acercamientoa los aspectos básicos de la destilación, incluyendo sudefinición, su desarrollo histórico y su relevancia presente yfutura. Aquí, se le compara con las técnicas de separaciónalternativas y se hace un compendio de los principales camposde estudio referentes a ella que están desarrollándose en laactualidad.

Posteriormente, se estudian los aspectos que dan fundamentoa la operación: el equilibrio de fases y las operaciones de etapade equilibrio.

En la primera sección se tratan inicialmente los conceptosbásicos termodinámicos, dentro de los cuales está el estudiodel equilibrio líquido-vapor. Se sigue con el análisis del estadodel sistema, el tratamiento matemático con el cual se puede

modelar, descrito por los comportamientos ideal y no ideal,para poder abocar finalmente el cálculo de los parámetrostermodinámicos de un sistema en equilibrio. En este sentido, setrata una ecuación de estado cúbica (Peng - Robinson) para elcálculo del equilibrio líquido-vapor y los términos de energía,tanto para sistemas binarios como para multicomponentes.Dicha ecuación trabaja con una base de datos de 50 hidrocarburos.Además, se incluye un modelo de cálculos de actividad (Unifac)para describir la fase líquida, que utiliza 75 compuestos comobase de datos.

En la segunda sección se presentan los conocimientoselementales de los procesos de separación por etapas deequilibrio, los diferentes tipos de configuraciones que puedenpresentar, los balances de materia y energía que se aplican y.finalmente la representación gráfica que se puede hacer de unproceso de separación de etapa múltiple.

En un aparte adicional se hace una breve descripción de laestructura de los equipos utilizados para el contacto entre fasesen la destilación y las unidades de transferencia de calor querequieren. Además, se tratan los aspectos más notables de suoperación.

Finalmente, tratados los aspectos fundamentales, se afrontael estudio de los esquemas de cálculo más representativos decada uno de los tipos de operación que se pueden presentar enla destilación por etapas y su descripción. Primero se abarcanlos procesos que operan de manera discontinua: destilacióndiferencial y por lotes (con reflujo variable y constante), ambospara mezclas binarias. Luego se trata la destilación instantáneao flash (isotérmica, adiabática y con fracción de vaporización)para sistemas multicompuestos. Posteriormente se trabaja larectificación continua de mezclas binarias, en donde se tratanlos conocidos e ilustrativos métodos de Ponchon-Savarit, MeCabe- Thiele y Sorel. Finalmente se toca la rectificación continuade mezclas multicomponentes en donde se ocupa primerode los métodos cortos para la determinación de ladistribución de los componentes, la determinación delnúmero mínimo de etapas, el cálculo del reflujo mínimo, elcálculo del número de etapas ideales y la localización del platode alimentación. Finalmente se hace una aproximación inicial ados métodos rigurosos: el de Wang-Henke y el método thetade convergencia.

Dada la densidad de la información, se buscó que la maneraen que se presentara fuera la más amigable y fácilmenteaccesible para el usuario. Para dirimir esta necesidad, seutilizaron la versatilidad y el dinamismo que caracterizan a laspáginas Web de Internet, así que se elaboró un total de 83páginas para cobijar todo el marco teórico (el programa con elcual fueron realizadas fue Microsoft Frontl'age=). Este tipo deformato permite navegar a través de diferentes hojas por mediode hipervínculos conectando términos relacionados oreferencias; tiene la capacidad de utilizar imágenes animadas,facilita el acceso a información adicional en pantalla en formade cuadros de texto, etc., acciones que pueden realizarse conuna simple pulsación del ratón.

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Necesariamente todas las hojas debían estar bajo unaestructura que las aunara. Entonces, se utilizó un programadiseñado para elaborar archivos de ayuda, llamado HTML HelpWorkshop=, que permite la compilación de hojas Web. Esteprograma habilita la organización del contenido en formajerárquica en una estructura en forma de árbol o tabla decontenido, en la cual se puede encontrar cualquiera de las hojasdel cuerpo del software para que sea visualizada (tal como sepresenta en la figura 2). Además, posee herramientas debúsqueda de palabras clave o de términos aislados.

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Figura 2. Tabla de contenido desplegada.

Como resultado se tiene un libro electrónico, que permiteuna gran variedad de acciones con mucha facilidad en virtudde las herramientas que exhiben los programas con los cualesfue realizado. Este libro recibe el nombre de Guía tutorial dedestilación.

Por otra parte, desde el libro electrónico es posible llamarotros programas por medio de botones que son programadospara que ejecuten una aplicación específica. Esta habilidad seutiliza en el programa para ejecutar las presentacionesexplicativas, los tutores y los simuladores, los cuales se detallana continuación.

11. LAS PRESENTACIONES EXPLICATIVAS

Para algunos temas específicos se desarrollan presentacionesque amplían la explicación del tema en cuestión. Éstas sonexposiciones con alto contenido de elementos visualesanimados que avanzan automáticamente mientras presentan lainformación pertinente. Dichas presentaciones han sidorealizadas en el programa Microsoft Powerf'oint=, y seencuentran identificadas en la guía tutorial por el siguienteicono:

La presentación arrancará simplemente pulsando sobre elbotón que se encuentra inmediatamente debajo de la figura.

En la figura 3 se presentan irnáoenes correspondientes aalgunas de las presentaciones explicativas incluidas en elprograma.

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a)

b)

Figura 3. Presentaciones explicativas. a) Equilibrio líquido-vaporb) Método de Ponchon Savarit.

m. Los TUTORES

Constituyen una parte fundamental del módulo tutorial, yaque permiten realizar cálculos mientras se aprende elprocedimiento paso a paso. Fueron desarrollados sobre la hojaelectrónica Microsoft Excel".

Los programas tutores tienen como una de sus principalesventajas la capacidad de desarrollar problemas diversos, debidoa que poseen una suficiente base de datos de compuestos,pueden modificarse las variables de operación (temperatura,presión, composición, etc.) y seleccionarse entre diferentes tiposde cálculo. Por medio de botones se avanza o se retrocede enel cálculo apareciendo los resultados pertinentes sobre la hojaelectrónica; también es posible reiniciar el cálculo o abandonarel ejemplo en cualquier momento. Los tutores se identificandentro de la guía por la siguiente imagen, que se encuentraacompañada de un botón para ejecutar la aplicación:

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La figura 4 presenta algunas imágenes del tutor del métodode Ponchon-Savarit.

a)

b)

c)

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d)Figura 4. Imágenes del tutor del método Ponchon-Savarit. a)

Bienvenida. b) Selección de compuestos. e) Introducción de datos.d) Pasos del cálculo.

IV. Los SIMULADORES

Estos programas también están estructurados sobre la hojaelectrónica y se diferencian de los tutores en que no presentanel procedimiento de cálculo, sino que de la introducción dedatos pasan directamente a la presentación de resultados. Laintención de estos programas es permitir el análisis de losresultados, así como observar la incidencia de las diferentesvariables sobre ellos.

En estos programas no se observa ninguna modificaciónsobre la hoja de Excel= ya que el cálculo se realiza de maneraoculta. Se distinguen de las demás aplicaciones por el siguienteicono:

La figura 5 presenta algunas imágenes del simulador dedestilación instantánea (flash).

a)

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b)

Cc)

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d)

Figura 5. Imágenes del simulador de destilación flash. a) Selección delproblema. b) Introducción de datos. e) Resultados. d) Otros resultados.

En el siguiente cuadro se hace una relación de los programastutores y simuladores incluidos en la guía:

Programa 1. Tutor del cálculo de equilibrio de mezclas binarias según la Leyde Raoult.Programa 2. Tutor del cálculo de temperaturas de burbuja y rocío de mezclasmulticomponentes utlizando la Lev de Raoult.Programa 3. Tutor del cálculo de la temperatura de burbuja utilizando laecuación de estado de Peng - Robinson.Programa 4. Tutor del cálculo de la temperatura de rocío utilizando laecuación de estado de Pen¡¡ - Robinson.Programa 5. Tutor del cálculo de la presión de burbuja utilizando la ecuaciónde estado de Pena - Robinson.Programa 6. Tutor del cálculo de la presión de rocío utilizando la ecuación deestado de Peng - Robinson.Programa 7. Simulador para el cálculo de los puntos de burbuja y rocíoutilizando la ecuación de estado de Pen¡¡ - Robinson.Programa 8. Tutor para el cálculo de los coeficientes de actividad por mediodel modelo UNIFAC.Programa 9. Simulador para el cálculo de los coeficientes de actividad pormedio del modelo UNIFAC.Programa 10. Simulador para el cálculo de los puntos de burbuja y rocíoutilizando la ecuación de estado de Peng - Robinson y el modelo deactividad (UNIFAC).Programa 11. Tutor para el cálculo qráfico del número de etapas ideales.Programa 12. Tutor para el cálculo analítico del número de etapas ideales

I por el método de Kremser.Proarama 13. Tutor cara el cálculo de la destilación diferencial.Programa 14. Tutor para el cálculo de la destilación discontinua con relaciónde reflujo_constante.Programa 15. Tutor para el cálculo de la destilación discontinua con relaciónde reflujo variable.Programa 16. Simulador para el cálculo de la destilación discontinua.Programa 17. Tutor para el cálculo de la destilación instantánea isotérmicacon coeficientes de distribución independientes de la composición.Programa 18. Simulador para el cálculo de la destilación instantáneaisotérmica con coeficientes de distribución calculados por la ecuación deestado de Pena - Robinson.Programa 19. Tutor para el cálculo de la destilación instantánea con fracciónde vaporización con coeficientes de distribución independientes de lacomposición.Programa 20. Simulador para el cálculo de la destilación instantánea concoeficientes de distribución independientes de la composición.Programa 21. Tutor para el cálculo de la destilación continua de mezclasbinarias por medio del método de Ponchon - Savarit.Programa 22. Tutor para el cálculo de la destilación continua de mezclasbinarias por medio del método de McCabe - Thiele.Programa 23. Tutor para el cálculo de la destilación continua de mezclasbinarias por medio del método de Sorel.Programa 24. Tutor para el cálculo de la distribución de los componentes enla destilación continua de mezclas multicomponentes.Programa 25. Tutor para el cálculo del número mínimo de etapas por el

CONCLUSIONES

El trabajo desarrollado puede ser de gran ayuda paracomplementar la formación conceptual de los estudiantes depregrado de Ingeniería Química en el área de la destilación.Esto se debe a que ofrece variedad de opciones para elacercamiento a un tema determinado, como acceso ainformación teórica, visualización de presentaciones explicativasy ejecución de tutores y de simuladores; todo organizado bajouna misma estructura dinámica que permite la elección del tipode herramienta que se quiera utilizar .

El beneficio que puede brindar este trabajo dentro de laformación académica de los ingenieros químicos depende engran parte de que sea divulgado a través de los cursos oactividades en donde se realice el estudio de la destilación o dela simulación de procesos.

Continúa latente la necesidad de realizar proyectos de estetipo en diferentes campos de la ingeniería química, para avanzarhacia el objetivo global de constituir una herramienta integralde simulación con un fin estrictamente didáctico.

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BIBLIOGRAFÍA

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