DINAMICA DE PROCESOS

INTEGRACIN DE SIMULACIN Y SINTESIS DE PROCESOS QUMICOS

SINTESIS Y SIMULACIN DE PROCESOS QUMICOS CON ASPEN PLUS

Diseo de un proceso qumico

El Modelo cebolla es una jerarqua apropiada para el diseo de procesos qumicos. El diseo de procesos qumicos comprende la sntesis y el anlisis de los procesos. El modelo cebolla requiere de la herramienta de anlisis y las decisiones de sntesis deben hacerse para cada nivel que requiere de un cambio detallado.

El proceso de sntesis desarrolla el flowsheet integrando los procesos individuales y sus condiciones de operacin.

En cambio, el proceso de anlisis descompone el flowsheet para evaluar el funcionamiento de cada proceso individual mediante la simulacin del proceso.

Separacin y recicloIntegracin energticaServiciosReactor

Figura 1. Modelo de sntesis llamado modelo cebolla

El diseo de un proceso se inicia con el diseo del reactor que influye en el proceso de separacin y la estructura de reciclo (segundo nivel), pues estas unidades se disean despus. Los requerimientos del reactor, la estructura de separacin y el reciclo necesitan de la integracin energtica y finalmente el diseo de los procesos requieren de los sistemas de servicios de alimentacin o retiro de calor.

El software como el Aspen Plus sirve como herramienta de anlisis y sntesis que nos ayuda en forma prctica a evaluar las nuevas vas de los procesos o generar alternativas para desarrollar nuevos procesos.

Tecnologa de Diseo de Equipos de Procesos

TEORASEQUIPOS PRINCIPALES

FENOMENO DE TRANSPORTEOPERACIONES UNITARIAS

Transporte de momentum

Flujos de Fluidos Bombas Compresoras Eyectores Ciclones Tuberas Ventiladores Mezcladores Tanques separadores Sopladores

Transporte de energaTransferencia de calor por conduccin Aislamiento Material refractario

Transferencia de calor por conveccin Intercambiadores de calor Condensadores Rehervidotes Evaporadores Equipo de recuperacin de calor Cambiadores de calor enfriados por aire Deaireadores

Transferencia de calor por radiacin Hornos Calderas Quemadores

Transporte de masa Destilacin Absorcin-desorcin Adsorcin Extraccin Ultrafiltracin Osmosis Inversa Electrodilisis Columnas de destilacin Columnas de absorcin Columnas de adsorcin Extractores Mallas moleculares

Transporte simultneo de momentum, calor y masaCintica qumica Reactores qumicos Reactores biolgicos

La jerarquizacin apropiada en el diseo de procesos y el desarrollar un nuevo proceso esta comprendida de las siguientes etapas:

Nivel 0: Informacin de Entrada.Nivel 1: Discontinuo versos Continuo.Nivel 2: Estructura de Entrada- Salida del Flowsheet.Nivel 3: Estructura del Reciclo del flowsheet.Nivel 4 : Estructura general del Sistema de separacin.Nivel 4a: Sistema de recuperacin de Vapores y Gases.Nivel 4b: Sistema de recuperacin de Lquidos.Nivel 4c: Otros Tipos de separacinNivel 5: Integracin Energtica.Nivel 6: Evaluacin de Alternativas.Nivel 7: Flexibilidad y Control.Nivel 8: Seguridad y Ambiente.

Despus de la simulacin en cada etapa individual se genera una nueva unidad o se toma nuevas decisiones.

Flowsheet de procesos qumicosEl flowsheet se debe analizar primeramente en esta etapa y decidir despus de sintetizar mediante los modelos y las herramientas de simulacin. En esta parte se presenta las herramientas para generar un buen flowsheet del proceso.

El flowsheet es realizado en trminos de balance de materia, energa y las condiciones de operacin, etc.

Sistemas de reaccin

Modo de operacin del reactor (RCPA, flujo pistn, etc.) y cuales son las condiciones de operacin (isotrmico, adiabtico, al vacio, a temperatura constante de salida, etc.)

Cual es la conversin del producto y el rendimiento a ser determinadoEs necesario adicionar catalizador

Los procesos de simulacin nos permiten mayor informacin que la literatura en trminos de requerimientos de calentamientos o enfriamientos, condiciones de operacin y otros.

Sistemas de separacin y reciclos

a) Sistemas de separacin

ProductosAlimentacinLquidoSistema Reaccin SeparacinFlashVapor Sistema de ConversinVapor

Sistema de SeparacinLquido

Lquido

Reciclo LquidoPurga

Figura 2. Esquema de sistema de separacin total

Necesidad de separar los componentes que abandonan el reactor

Separacin flashCon 2 grados de libertad se deb ensayar el diseador debe especificar 2 variables de proceso a modelar. Por simplicidad T, y P (o cada de presin) son frecuentemente utilizados

Separacin vaporIncluye condensadores, tanques flash, absorbedores, adsorcin y separacin por membranas de gas (se trata de purificar para reciclar y purgar)

Separacin lquidaIncluye destilacin (destilacin reactiva), extraccin por solventes, rectificacin, filtracin (incluye separacin por membranas), centrifugacin y otros. Tambin incluye el modelamiento de la columna de destilacin

Nmero de platos tericosUna buena estimacin se obtiene a partir de mtodos cortos tal como la ecuacin de Fenske o un modelo de separacin simplificado aprovechable en un simulador

Temperatura del tope y del fondoA partir de estimaciones de modelos cortos que fundamentalmente dan buena convergencia durante una simulacin de la columna

Presin de columnaLa presin a ser usado del tope o del fondo, o cada de presin a partir del tope.

Localizacin del plato de alimentacinBasado en la conversin de la energa (entre la corriente de alimentacin y plato de alimentacin deben tener la misma temperatura) y el requerimiento de la pureza del producto (una localizacin del plato ms alto afecta la composicin del producto)

Estimacin del flujo del productoAlgunos simuladores requieren de una estimacin de flujos del tope y del fondo para la inicializacin de los clculos de convergencia de la columna.

NOTA: Para que convergen los resultados se requiere:a. Evaluar termodinmicamente, especialmente valores de Kb. Evaluar inicialmente la generacin usando un mtodo cortoc. Depurar clculos y las especificaciones ingresadas tanto para el balance de calor y materiad. Simplificar los balances de materia y calor, reflujos, razones de temperaturas y otros.

a) Sistema de reciclo

El reciclo es la parte ms difcil del modelamiento del flowsheet. Hay que separar en dos corrientes

Figura 3. Concepto de corrientes divididas es usado en simulacin de reciclo

En el reciclo del vapor, despus de la unidad de evaporacin (F) se separan en dos lneas R1 y R2 y se simulan despus de haber resuelto los procesos A y B. La simulacin modifica la unidad C. Un valor inicial para la corriente separada de R1 resuelve la simulacin y se procede a calcular las unidades D, E, y F. Despus que la unidad F converge, los resultados de la velocidad de flujo de vapor R2 es comparado con el valor inicial asignado a R1. Si los valores de R1 ha convergido para una tolerancia especificada, entonces se puede utilizar el valor de R2, finalmente el valor de R2 es tambin usado en su reemplazo del valor de R1 y nuevamente se realiza la simulacin.

Si las corrientes de R1 y R2 no concuerdan, para una tolerancia fijada, entonces se revisa el valor inicial de R1 y se vuelve a correr hasta que se encuentra un valor aceptable.

Recomendaciones:

Mantener constante las especificaciones del producto con una elevada precisin del proceso Notar el cambio en la alimentacin de la T y P Iniciar con una convergencia baja, luego se incrementa la tolerancia de convergencia Se puede optimizar cada etapa de simulacin

Integracin energtica

El proceso de transferencia de calor para calentamiento o enfriamiento se propone despus de haber finalizado la fase de reaccin, separacin y reciclo.Dividir en dos etapas para el proceso de integracin:

Unidades de servicios Diseo de red transporte

La red de transporte se debe sintetizar, se debe hacer luego de simular para verificar los balances de energa (se puede realizar para cada equipo los reciclos con sus balances) y luego interconectar

Servicios

La seleccin de los servicios de enfriamiento y calentamiento es otra aplicacin del proceso de integracin.Otras opciones de exploracin se debe tener presente para el vapor de calefaccin (planta de vapor) y motores de calentamiento

EJEMPLO DE PRODUCCIN DE N-OCTANO

Produccin del n-octano formulando el flowsheet, el reactor, procesos de separacin y reciclo, y la integracin energtica

Datos preliminares

Reaccin

2C2H4 + C4H10 C8H18 Etilenoi-butanon-octano

El etileno ingresa con N2 y el i-butano ingresa con el n-butano (impurezas el N2 y n-octano)

Desarrollo del flowsheet

Especificaciones:

Velocidad de flujo de alimentacin molar para cada componente en la produccin de n-octano

Reactor isotrmico estequiomtricoT = 93 CReactante limitante es el etilenoX = 98%P en el reactor 5 psi

Figura 1. Flowsheet preliminar para la produccin de n-octano despus de completar el modelo cebolla de nivel 1 y 2.

Proceso de separacin y reciclo

Columna Flash

Balance de materia para el producto deseadoP = 2 psiT = 93 C similar al reactorTope: Etileno, i-butano y otras impurezas y un poco de n-octanoFondo: n-octano

Columna destilacin

Para la recuperacin de n-octanoEl mtodo de diseo corto ha determinado un total de 10 platos y operara a 15 psiEl remanente del componente n-octano es recuperado en el fondo de la columna y los componentes livianos a partir del tope de la columnaAs la separacin del n-octano engloba a ambos destilacin flash y destilacinRealizar la optimizacin de parmetros de operacin para ajustar los modelos de recuperacin de n-octano

Reciclo

El material no convertido liviano de la corriente de vapor del tope es ahora puro para reciclar.Una corriente de purga es adicionado y despus el vapor es comprimido, recalentando y adicionado al reactor. El concepto de corriente dividida es utilizado para facilitar la convergencia de la corriente de reciclo.

Intercambiadores de calor

El diseo del transporte de los intercambiadores de calor y los servicios deben ser adicionados simultneamenteLos datos de entalpia del vapor necesarios para el anlisis es extraido a partir del flowsheet que ha convergido de la figura 1.Despus el sistema de intercambiadores de calor es diseado usando tcnicas de integracin de procesos, la simulacin es nuevamente corrido para verificar los balances de materia y calor para el flowsheet integrado con los intercambiadores de calor (fig. 2)

Figura 2. Flowsheet completo con una columna de destilacin integrada con intercambiador de calor

El concepto de vapor dividido es utilizado en esta etapa del mismo modo los vapores del proceso integrado sonconsiderados como vapor de reciclo en la apropiada secuencia modular (Ejm. La corriente del reciclo y balance de materia fig. 2)

Alternativamente, si destilacin nos es preferido para el esquema de integracin de calor a causa de controlabilidad, la alternativa del flowsheet es como se muestra en la fig .3.Este da otra alternativa al diseador la opcin para comparar (Ejm. Energa, controlabilidad, complejidad, etc.) durante el desarrollo del proceso.

Figura 3. Flowsheet completo con una sola columna de destilacin sostenida

APLICACIN EN ASPEN PLUS

1. FLOWSHEET

2. REACTOR

3. INTERCAMBIADOR DE CALOR

4. FLASH

5. COLUMNA

_____________________________________________________________________________________________Facultad de Ingeniera QumicaM.Sc. Ever Ingaruca Alvarez