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Unidad de Innovación Docente
Edifício Centro Tecnológico Cádiz
C/ Benito Pérez Galdós, s/n,
11002 Cádiz
5728 / 1979 / 1989
[email protected]
http://www.uca.es/udinnovacion/
MEMORIA FINAL
Compromisos y Resultados
Actuaciones Avaladas para la Mejora Docente, Formación
del Profesorado y Difusión de Resultados, 2013/2014
Modalidad A
Código:
AAA_14_030
Título del proyecto
UTILIZACIÓN COORDINADA DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE PROCESOS ASPEN PLUS EN
ASIGNATURAS SELECCIONADAS DE TODOS LOS CURSOS DEL GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA
Responsable
Apellidos
Nombre
NIF
Portela Miguélez
Juan Ramón
31259146-F
1. Describa la contribución al proyecto de cada uno de los participantes1
Portela Miguélez, Juan Ramón
Descripción de la contribución del participante:
Coordinación de las actividades del Proyecto.
Organización del curso externo de formación de profesores “curso avanzado de aspen Plus 8.2”
Participación en la impartición de clases prácticas para la resolución de balances de materia y
balances de energía en la asignatura BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA (2º GIQ).
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado.
Asistencia a todos los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento.
Tramitación de la renovación de la licencia con la empresa Aspen Tech
Coordinación con el CITI de la instalación y prueba del software en el aula de proyectos y en las
aulas de informática de la Facultad de Ciencias y del aulario
Elaboración de una guía de instalación del Aspen Plus 8.2 para los participantes del curso
Elaboración de la memoria final
Pereyra López, Clara
Descripción de la contribución del participante:
- Participación en la elaboración de una guía para la selección de métodos termodinámicos en
Aspen Plus según el tipo de compuestos que intervengan en un proceso y las condiciones de
operación. Contribuciones específicas para la asignatura Termodinámica aplicada a la
1
Copie y pegue las tablas que necesite para contemplarlos a todos.
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ingeniería química (2º Grado en IQ). Asistencia a todos los cursos de formación interna y
externa realizados en el departamento.
Martínez de la Ossa, Enrique
Descripción de la contribución del participante:
- Colaboración en el proceso de renovación de la licencia y participación en la organización
del curso de formación de Aspen Plus para el profesorado
Sánchez Oneto, Jezabel
Descripción de la contribución del participante:
- Participación en la elaboración de la guía de instalación Aspen Plus 8.2. Diseño de
actividades prácticas en aula de informática utilizando el software Aspen plus para la
asignatura Diseño de reactores (3º GIQ). Asistencia a todos los cursos de formación interna
y externa realizados en el departamento.
Alvarez Gallego, Carlos José
Descripción de la contribución del participante:
- Diseño e impartición de actividades prácticas en aula de informática utilizando el software
Aspen plus para la asignatura Diseño de operaciones de separación (3º GIQ). Impartició de
clases prácticas en curso interno dirigido a profesores del departamento. Asistencia a todos
los cursos de formación interna y externa realizados en el departamento.
Muñoz Cueto, Maria José
Descripción de la contribución del participante:
- Participación en el diseño de casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura Flujo de
Fluidos (2º Grado en IQ).
Martín Minchero, Ricardo
Descripción de la contribución del participante:
- Participación en el diseño de casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura Flujo
Transmisión de Calor. Difusión de la convocatoria y asistencia a la Jornada Online
Herramientas Innovadoras y Gratuitas para el Cálculo y la Simulación de Procesos,
organizado por la Universidad Politécnica de Valencia.
- Búsqueda de material bibliográfico para el manejo del simulador y distribución entre los
participantes
- Asistencia a cursos de formación interna realizados en el departamento.
Blandino Garrido, Ana
Descripción de la contribución del participante:
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado y al curso de formación externo.
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Díaz Sánchez, Ana Belén
Descripción de la contribución del participante:
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado y al curso de formación externo.
Mantell Serrano, Casimiro
Descripción de la contribución del participante:
- Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de
procesos con Aspen Plus en la asignatura Principios de ingeniería química (1º Grado en
IQ). Participación en las actividades de formación de profesorado.
Caro Pina, Ildefonso
Descripción de la contribución del participante:
Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de procesos
con Aspen Plus en la asignatura DISEÑO DE REACTORES (3º GIQ).
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado y al curso de formación externo.
Romero García, Luis Isidoro
Descripción de la contribución del participante:
Participación en la impartición de clases prácticas para el diseño de diagramas de flujo de procesos
con Aspen Plus en la asignatura DISEÑO DE REACTORES (3º GIQ)
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado y al curso de formación externo.
Casas Cardoso, Lourdes
Descripción de la contribución del participante:
Asistencia a las clases prácticas impartidas por los profesores del proyecto en sus respectivas
asignaturas del Grado y al curso de formación externo.
Ramírez Muñoz, Martín
Evaluación de la posibilidad de realizar casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura “Diseño de
Biorreactores” (4º GIQ)
Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación)
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Cabrera Revuelta, Gema
Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación)
Cantero Moreno, Domingo
Evaluación de la posibilidad de realizar casos prácticos con Aspen Plus en la asignatura “Diseño de
Biorreactores” (4º GIQ)
Asistencia a clases prácticas del curso avanzado de Aspen plus 8.2 (curso externo de formación)
2. Describa los resultados obtenidos a la luz de los objetivos y compromisos que adquirió en la
solicitud de su proyecto2. Copie en las dos primeras filas de cada tabla el título del objetivo y la
descripción que incluyó en el apartado 2 de dicha solicitud. Incluya tantas tablas como objetivos
contempló y tenga en cuenta que la extensión de este apartado no debe superar 2 páginas.
Objetivo nº 1
Descripción:
Mantener las actividades prácticas ya realizadas en varias asignaturas del
Grado.
Se pretende afianzar las actividades prácticas que ya se han llevado a cabo en
el curso 12/13, ampliarlas y mejorarlas a partir de la experiencia llevada a
cabo.
Las actividades hasta ahora implantadas han sido:
- Introducción de la utilización del software. Entorno de funcionamiento
y estructura. Creación de diagramas de bloques en Ingeniería Química.
- Resolución de balances de materia y energía. Calculo de entalpías de
reacción, reacciones múltiples, cálculos entálpicos, resolución del
balance con purga, separadores y recirculación.
- Diseño de una columna de destilación: sistemas binarios y
multicomponentes, cálculo del número de platos y contacto diferencial.
- Diseño de reactores reactores tubulares y de tanque agitado.
Dimensionamiento del reactor.
Estas actividades se pueden mejorar para el próximo curso, añadiendo la
construcción de gráficos, la personalización de tablas de resultados, etc.
Actividades
Se han mantenido y consolidado todas las mencionadas actividades
realizadas
y implantadas en el curso anterior. Como mejora y profundización en el uso de
resultados
las opciones que ofrece el software, se han incorporado actividades de
obtenidos:
construcción y obtención de gráficos y tablas de resultados. En el anexo I se
muestran algunas de las actividades realizadas.
Objetivo nº 2
Descripción:
2
Extender el uso del software Aspen Plus a nuevas asignaturas.
- Base de datos termodinámicos. Creación de compuestos y estimación
de propiedades termodinámicas.
La que remitió la Unidad de Innovación Docente en el mes de junio de 2013.
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-
Diseño de un intercambiado de calor. métodos sencillos y rigurosos.
Cálculo de coeficientes de transmisión de calor. Diseño de un
cambiador de calor de doble tubo.
- Diseño procesos biotecnológicos.
- Ajuste de Resultados de simulación a Datos experimentales.
Regresiones.
Optimización económica/energética.
Actividades
-Este proyecto está directamente relacionado con la actuación avalada
realizadas
y “AAB_14_003“ de formación en Aspen Plus, en la que se ha organizado un
resultados
curso avanzado de aspen plus 8.2 para complementar la formación del
obtenidos:
profesorado de este Departamento, contribuyendo así a fomentar el uso de
opciones avanzadas del software y diseñar mejoras en los casos prácticos
implantados en las asignaturas del grado en IQ, principalmente en los
siguientes aspectos:
-Elaboración de una guía para la selección de métodos termodinámicos en
Aspen Plus según el tipo de compuestos que intervengan en un proceso y las
condiciones de operación. Esta actividad supone una aportación de una nueva
asignatura del Grado, concretamente Termodinámica aplicada a la ingeniería
química (2º Grado en IQ).
-Se ha recibido formación (en el curso externo) para el cálculo de pérdidas de
carga en conducciones, diseño de un intercambiado de calor y optimización
económica. Los casos prácticos pueden aplicarse a las asignaturas de Flujo de
fluidos (2º Grado en IQ), transmisión de calor (2º Grado en IQ) y simulación y
optimización de procesos químicos (4º GIQ).
En el anexo I se muestran los principales casos prácticos desarrollados.
Objetivo nº 3
Descripción:
Facilitar el acceso al uso del software ASPEN PLUS.
La Universidad de Cádiz dispone de la licencia del Software ASPEN Plus y se
encuentra instalado actualmente en el aula de proyectos de la Facultad de
Ciencias y en los carros de portátiles para docencia. Se pretende conseguir que
todos los profesores del proyecto puedan tener instalado el software en su
ordenador. Además, se pretende que los alumnos también puedan usar el
software en salas de libre acceso, con el fin de que puedan practicar por su
cuenta y realizar las actividades que se les encomiende desde las distintas
asignaturas relacionadas con este proyecto.
Actividades
La Universidad de Cádiz disponía de la licencia del Software ASPEN Plus
realizadas
y solamente hasta septiembre de 2013 y era necesario proceder a su renovación
resultados
para poder usar el software en el curso 13/14. En los últimos años la licencia
obtenidos:
se había pagado entre varias entidades participantes: El Vicerrectorado de
docencia y formación, el Decanato de la Facultad de Ciencias, el Dpto de
ingeniería Química y la Escuela politécnica superior de Algeciras. Desde el
año pasado, el Vicerrectorado comunicó que no pondría dinero para licencias,
y el Decanato nos solicitó que buscásemos fuentes de financiación
alternativas. Este proyecto ha permitido la renovación de la licencia del
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software aspen Plus e instalación del programa en el aula de proyectos y en las
aulas de informática de la facultad de ciencias y del aulario del campus de
Puerto Real para 150 usuarios.
Se ha elaborado de una guía de instalación del Aspen Plus 8.2 para los
participantes del proyecto, de modo que todos los profesores puedan tener
instalado el programa en su ordenador personal. Dicha guía aparece recogida
en el anexo I, y se suministrará a los alumnos de tercer curso del Grado en IQ,
pues en ese curso está concentrada la mayor carga de uso de aspen Plus.
Solicitud al CITI de instalación del software en ordenadores de préstamo y en
ordenadores de uso público de la biblioteca del campus. Además, con la ayuda
de alumnos colaboradores del departamento se pondrá a disposición de los
alumnos el aula de proyectos en horas de tutoría, de forma que pueda utilizarse
el software.
3. Indique las medidas que ha adoptado para difundir los resultados del proyecto en su entorno
académico.
Todas las actividades de esta actuación avalada han estado disponibles a todo el PDI
del departamento, habiéndose incorporado a los cursos realizados, tanto doctorandos
de este departamento como de otros departamentos del Campus de Puerto Real.
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ANEXO I
- Guía de instalación de Aspen Plus 8.2
- Actividades prácticas de Aspen Plus en Asignaturas del
Grado en IQ.
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Guía de Instalación
Para el Aspen V.8.0/8.2 se deben instalar productos adicionales. Sólo es compatible con winxp y
windows7. Aquí explicamos cómo se instala en Windows 7.
Según el Windows que tenga cada equipo y cómo esté de actualizado, la instalación pedirá
determinados requisitos (ej. Internet Explorer 9 como mínimo).
Los prerrequisitos para una correcta instalación son 5:
1.-Microsoft .Net Framework 3.5
2.-Microsoft .Net Framework 4
3.-SQL Server Express 2008 R2 SP1
4.-IIS (internet information services)
5.-Microsoft Message Queue (MSMQ) Server
Los tres primeros productos, están disponibles en un servidor del Citi. Se accede desde
el símbolo de inicio de Windows (icono de Windows en la esquina inferior izquierda) y
tecleando lo siguiente en la ventana de busqueda:
\\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\aspenONEV8.0DVD1\3rd Party Redistributables
Entrar en cada una de las carpetas citadas y ejecutar la aplicación (si alguno de los programas ya
los teneis instalados, al ejecutar la aplicación os saldrá una ventana diciendo que ya está
instalado)
En Microsoft .Net Framework 4, ejecutar la aplicación “doNetFx40_full*86*64”
En SQL Server Express 2008, seleccionar “New installation or add features to an existing
installation” y pulsar next (buscará todo lo que aquello que le falte)
y para los dos últimos hay que entrar en:
Panel de control\Programas\Programas y características\Activar o desactivar las características
de windows
Hay que señalar dos productos abriendo todos los subproductos para señalarlos con seguridad.
Estos productos son:
‐ IIS (Internet Information Services)
‐ Microsoft Message Queue (MSMQ) Server
Aceptar todo hasta que se instalen
A continuación instalamos el software de Aspen Plus
Se accede de nuevo desde el símbolo de inicio de Windows, tecleando lo siguiente en la
ventana de busqueda:
El software está en \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8
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Hay 4 DVDs, de los que sólo usamos los dos primeros
‐
‐
aspenONEV8.0DVD1 (a este entra por defecto)
SupplementalDVD-AspenEngineering (es una actualización)
1- Dentro del primer DVD ejecutamos la aplicación Setup1
\\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\aspenONEV8.0DVD1\setup1
Aparecen pantallas y hay que ir señalando y aceptando: setup1 + permitir+ (preparing
install….) + 32 bits (elegimos 32 bits aunque nuestro ordenador sea de 64 bits) + Instal
aspen One Product + I accept the terms of this…..+ next + custom install
Seleccionar las casillas “Process Modeling (Aspen Plus)”, “Process Modeling (Aspen HYSYS), “Aspen Energy Analyzer”, “Aspen Exchanger Design & Rating”, “Economic Evaluation” y hacer clic en el botón “Next”. 9
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En el campo “License server:” se ha de escribir: Licaspen.uca.es, hacer clic en el botón “Add Server” (con lo que el nombre de ese servidor pasará a ubicarse en el recuadro inferior) y hacer clic en Next. Hacer clic en el botón “Install Now”: 10
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Hacer clic en el botón “Finish” . Ojo, el proceso ahora puede tardar un buen rato hasta que aparezca la siguiente pantalla. 11
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2‐ Ejecutamos el segundo DVD que es una actualización \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐AspenEngineering\setup Señalar los mismos productos de antes que tengan actualización. El proceso es parecido \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐
AspenEngineering\Engineering\Full Product Installs\setup1 \\nasai1\Campus\Cientifico\AspenOneV8\SupplementalDVD‐
AspenEngineering\Engineering\Patches\aspenONE Patch Update.exe Son tres ejecutables. 12
Grado Ingeniería Química Balances de Materia y Energía: Resolución con ASPEN PLUS Introducción al uso de ASPEN PLUS
Parte 1: Construcción del diagrama de flujo
En el menú inicio Æ todos los programas, buscamos el programa Aspen Tech, pinchamos en
Process Modelling V7.2 y elegimos Process Engineering console. (en el Aula de Proyectos
suele estar el acceso directo en el escritorio)
Seleccionamos Create new Project para comenzar un proyecto nuevo;
- Introducir un nombre para el proyecto (por ejemplo Balance Materia 1. Creará una carpeta). - Pulsar “Browse” para indicarle que guarde los archivos en vuestro pen‐drive (si no indicamos nada, los archivos se guardarán por defecto en una carpeta del disco duro). - En la Casilla “Initial case name” incluir vuestros apellidos. (Usareis “Open a Existing simulation” para continuar con un proyecto anteriormente creado).
Existen diferentes módulos de estimaciones y análisis que también ofrece el software: Properties
estimation, energy analysis, economic analysis, etc
Seleccionamos PROCESS SIMULATION. Aparecerá un menú con “Select simulator”, donde
seleccionalmos Aspen Plus y pinchamos en Start.
Figura 1. Pantalla con los diferentes módulos que ofrece el software
Aparecerá la pantalla inicial del programa (figura 1), con estructura típica de Windows, incluyendo
menús desplegables, barra de iconos, barras de herramientas, etc. A continuación se detalla cada una
de las partes principales:
Menú desplegable
Barra de herramientas
Iconos acceso directo
Seleccionar puntero
Zona para construir el diagrama de flujo
Añadir corrientes
Añadir bloques/equipos
Figura 2. Pantalla inicial de una simulación en blanco. Se remarcan los principales elementos que la
conforman
Menu desplegable:
-
Barra de menus desplegables (File, Edit, View, Data, Tools, Run, Flowsheet, etc)
Barra de iconos:
o Iconos tipicos Windows (abrir, guardar, imprimir….)
o Iconos específicos de Aspen plus (configurar, reactivos, corrientes, bloques…), A
continuación se muestran los iconos más usados:
Set up: permite especificar cualquier elemento del proceso a simular
Components: permite añadir todos los compuestos químicos que intervienen en el proceso
Physical propierties: permite seleccionar los modelos a usar en las estimaciones de propiedades
Streams: da acceso a especificar las características y condiciones de las corrientes del proceso
Blocks: da acceso a especificar las características y condiciones de los equipos del proceso
Browser: da acceso a los datos de todo el proceso
Next: avanza a la siguiente etapa del proceso de simulación (si le damos y faltan datos
necesarios por completar nos lo informa). Es muy útil pues el programa nos va llevando
ordenadamente por las pantallas que es necesario ir completando.
Menú selección Corrientes (streams)
En la parte inferior izquierda de la pantalla se encuentra el menú dedicado a las corrientes de proceso
(streams) y permite adicionar al diagrama de flujo tres tipos distintos de corrientes en función del
problema a resolver: corrientes de materia (Material) , de calor (heat) o de trabajo (work).
Para los balances de materia seleccionamos “Material”.
En los balances de energía, si hay aportes/retiradas de calor externo (calor que no está asociado a las
corrientes) habrá que añadir además alguna “heat stream”
Figura 3. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Streams”
Puntero:
La flecha puntero
aparece abajo a la izquierda, justo encima del menú streams. Debe pulsarse
después de añadir un bloque o corriente para dar por finalizado el proceso de adición de componentes
y así permite seguir trabajando con los menús, seleccionar objetos, cambiarles el tamaño, etc.
Menú selección equipos (Blocks):
En la parte inferior de la pantalla se encuentra el menú dedicado a los equipos de proceso (Blocks) y
permite adicionar al diagrama de flujo las unidades de proceso que correspondan.
Los equipos se encuentran ordenados en grupos en función de la operación que llevan a cabo
(separación, reacción, intercambio de calor, etc), y dentro de cada uno de ellos debemos elegir el tipo
de unidad que lleva a cabo la transformación exacta que queremos simular. En la figura 4 se muestra
un detalle de los tipos de reactores que podríamos seleccionar.
Figura 4. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Blocks”, dentro de la pestaña de
reactores y más concretamente dentro de Reactores Estequiométricos (RStoic).
A continuación se muestran los grupos más usados:
Importante: para saber sobre las características de cada uno de ellos, debemos pinchar sobre ellos y
pulsar F1, y un menú de ayuda sobre dicho equipo se abrirá automáticamente.
Mixer y Spliters: Deben incorporarse al diagrama de flujo siempre que dos corrientes se quieran
mezclar o dividir, respectivamente.
Separators: incluye separadores de una sola etapa (flash), decantadores, etc
Heat exchangers: están divididos en diferentes categorías como calentadores, evaporadores,
intercambiadores de carcasa, de doble tubo, etc
Columns: incluye extractores, gran variedad de columnas de destilación y rectificación, etc
Reactors: permite elegir entre reactores estequiométricos, de tanque agitado, tubulares, etc.
Pressure changers: incluye bombas, compresores, válvulas, tuberías, etc
Construcción del diagrama de flujo
Selección de bloques/equipos
Comenzamos añadiendo todos los bloques o equipos de los que consta el proceso. Para ello debemos
seleccionar las unidades adecuadas en el menú de bloques de la parte inferior de la pantalla (el que se
muestra en la figura 4).
Con el puntero desplegamos el menú que corresponda y pinchamos sobre una unidad, y al mover el
puntero hacia la zona central, el puntero se convierte en una cruz (+) y cada vez que hagamos click
en el ratón insertará una unidad en la zona donde hayamos colocado el puntero.
En el ejemplo del balance de materia a resolver se incluyen 4 bloques: mezclador, reactor, separador
y sistema de purgado. Primero los insertamos todos y luego les cambiaremos el tamaño, la
orientación, los alineamos, etc.
Mezclador: desplegamos en menú de “Mixers/Spliters” pinchando sobre él, y luego
seleccionamos el Mixer (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa).
Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón.
Reactor: desplegamos en menú de “Reactors” pinchando sobre él, y luego
seleccionamos el RStoic (esta unidad solo tiene en cuenta la estequiometria de la
reacción y la conversión que el usuario indique). Desplazamos el puntero hasta la zona
donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón.
Separador: desplegamos en menú de “Separators” pinchando sobre él, y luego
seleccionamos el Sep2 (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa).
Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón.
Sistema de purga: desplegamos en menú de “Mixers/Spliters” pinchando sobre él, y luego
seleccionamos el FsSplit (son todos iguales, solo varía el icono que lo representa).
Desplazamos el puntero hasta la zona donde queremos ubicarlo y pulsamos el ratón.
Cambio de tamaño, aspecto, alineación
Para dejar de añadir equipos y pasar a modificarlos, seleccionamos el “puntero” para que
desaparezca la cruz (+) del puntero y aparezca la flecha. Pinchando sobre un equipo es posible
arrastrarlo para moverlo, ampliarlo, etc. Pulsando botón derecho del ratón (o a través de las barras de
herramientas) es posible centrarlo en la pantalla, ponerle nombre, etc.
El sistema de purga tenemos que girarlo 180 º para que esté orientado correctamente respecto a las
corrientes que entran y salen (entra una corriente por la derecha y se divide en una de purgado y otra
que se recircula al mezclador por la izquierda)
Algunas funciones rápidas de interés:
-
Centrar vista
Æ CRTL + Tecla Fin
Copiar
Æ CRTL + C
Pegar
Æ CRTL + V
Agrandar diagrama flujo Æ CRTL + Flecha ↑
Reducir diagrama flujo Æ CRTL + Flecha ↓
Cambiar de icono para esa unidad Æ CRTL + K
Selección de las corrientes
Pinchamos Material Stream en el menú dedicado a las corrientes de proceso (parte inferior izquierda
de la pantalla).
Al dirigir el puntero hacia la zona central tomará aspecto de cruz (+) y en todos los equipos se
mostraran flechas de entrada y salida donde se podría conectar la corriente (figura5):
Figura 5. Aspecto que muestran los equipos cuando se van a añadir líneas de corriente (streams).
Flechas rojas: corrientes de entrada y salida que es necesario añadir a cada equipo.
Flechas azules: corrientes opcionales (para contemplar decantación de agua en sistemas libres de
agua, etc)
Para situar una corriente y enlazarla a un equipo o entre dos equipos, tenemos que hacer click en el
punto de origen y luego desplazar el puntero hasta el punto de destino y volver a hacer click.
Nota: el punto de origen o destino puede no ser un equipo (como en el caso de la alimentación, que
no proviene de ningún equipo previo. También es el caso de una purga o de el efluente final, que no
van a ningún equipo) por lo que haremos click en cualquier punto cercano al equipo.
La corriente presentará una flecha hueca de color blanco si no está conectada a ningún equipo, y una
flecha sólida de color negro cuando esté enlazada a algún equipo, tal y como se muestra a
continuación:
MEZCLADO
ALIMENT
.
En el caso de equivocarnos o querer modificar el origen o destino de una corriente, puede hacerse de
la siguiente forma:
Re-conectar punto de partida Æ seleccionar la corriente a modificar, pulsar botón derecho del ratón y
seleccionar “Reconnect source”. Hacer click en la zona correcta.
Re-conectar punto de destino Æ seleccionar la corriente a modificar, pulsar botón derecho del ratón
y seleccionar “Reconnect destination”. Hacer click en la zona correcta.
Una función rápida útil para ordenar el diagrama de flujo:
-
Alinear bloques
Æ seleccionar una corriente y pulsar CRTL + B
Etiquetar corrientes y equipos
Una vez insertados todos los equipos y las corrientes, podemos cambiar la nomenclatura que el
programa les asigna por defecto (B1, B2,…., 1,2,3,,,) y ponerle un nombre más intuitivo a cada uno
de ellos (reactor, separador,….., Alimentación, purga). Esto resulta muy útil para entender el
diagrama de flujo del proceso y para facilitar la interpretación de los “reports” de resultados.
Seleccionar una corriente o equipo, pulsar botón derecho del ratón y seleccionar “rename stream” o
“rename block”. (también puede usarse CRTL + M). Introducir el nombre deseado (máximo 8
caracteres).
En la figura 6 se muestra el aspecto final del diagrama del proceso.
Figura 6. Aspecto final del diagrama de flujo del proceso
Una vez terminado el diagrama de flujo, pulsamos el botón Next y, si todo está completo y correcto,
nos indicará los siguiente:
“Flow conectivity is complete. Provide the remaining problem specifications on input forms”
“Display next input forms?
Pulsar cancelar.
Antes de comenzar la introducción de datos y especificaciones, es conveniente activar la
visualización de la barra de herramientas de dibujo. Para ello seleccionamos en “View”>”Toolbar” y
marcamos “Draw”.
Una vez construido el diagrama de bloques se procede del siguiente modo, habría que, utilizando la
herramientas de dibujo, etiquetar las corrientes con la información suministrada. Es incluso
interesante incluir en el diagrama el enunciado del problema.
Alimentació
n combinada
El enunciado del problema es:
BALANCES PARA PROCESOS REACTIVOS CON UNA SOLA REACCIÓN QUÍMICA, CON RECIRCULACIÓN
Y PURGADO
El metanol puede producirse mediante la reacción CO2 + 3 H2 ⎯→ CH3OH + H2O que se desarrolla a 200ºC y 70
atm de presión. La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones
estequiométricas y 0,5% en mol de componentes inertes (I). El flujo de salida del reactor pasa a un condensador,
que extrae cuantitativamente todo el metanol y el agua formados, pero no así los reactivos ni los componentes
inertes. Estas últimas sustancias se hacen recircular al reactor. Para evitar la acumulación de inertes en el sistema
se extrae el 16,4% del producto recirculado en un flujo de purgado.
La conversión en el reactor en una sola etapa es del 60%. Calcular las velocidades de flujo molar de la
alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado, para una velocidad de producción
de metanol de 1000 kmol/s.
Grado Ingeniería Química Balances de Materia y Energía: Resolución con ASPEN PLUS Introducción al uso de ASPEN PLUS
Parte 2: Introducción de datos y simulación del proceso
Una vez construido el diagrama de bloques, con toda la información añadida, partiremos de una
pantalla similar a la siguiente:
Alimentació
n combinada
Seguidamente se pulsa en el botón “SETUP”
unidades.
para definir el título del trabajo y sistema de
Introducimos un título para el proceso (por ejemplo: Balance Materia 1).
Por defecto podemos elegir entre tres sistemas de unidades:
-
SI (International system units): m, kg, s, K, mol, etc ENG (English engineering units): ft, lbm, s, F, etc MET (Metric engineering units): m, kg, s, ºC, etc No obstante, es posible elegir las unidades concretas que aparecen en el enunciado del problema,
tomando como base de partida uno de los tres sistemas de unidades anteriores, pero adaptándolo con
las pequeñas variaciones que requiera nuestro problema concreto, por ejemplo usando el SI pero
fijando, por ejemplo, la temperatura en ºC y la presión en atmósferas.
Para personalizar nuestro sistema de unidades, pinchamos sobre Unit-Sets (en el árbol de archivos de
la izquierda) y pulsamos en “New” para crear uno nuevo. Tomamos como base el SI y elegimos las
unidades deseadas para la temperatura (ºC) y la presión (atm).
Volvemos a “Specifications” (situado en el árbol de archivos de la izquierda) y marcamos, en los tres
sitios señalados en la figura de abajo, el nuevo sistema de unidades que hemos personalizado
Nota: Es muy importante familiarizarse con el árbol de archivos de la izquierda, pues es muy útil para
encontrar y acceder de forma directa a todos los apartados más interesantes de la simulación
(components, blocks, streams, Results summary, etc)
Pulsar la tecla “NEXT”
y pasamos a especificar todos los componentes que intervienen en el
proceso a simular. (Otra opción para introducir las sustancias del proceso se pulsa en “Components”
)
Para seleccionar los componentes que el programa tiene en su base de datos, podemos hacer dos cosas:
-
Escribir el nombre en inglés en la columna “component name”. Ejemplo: Hydrogen, methanol Escribir la formula molecular en la columna “Formula”. Ejemplo: H2O, CO2 (y pulsar intro)
Si no coincide exactamente, podemos pulsar en find y seleccionar el componente directamente de una
lista ordenada alfabéticamente.
En la columna “Component ID” le damos el nombre que queramos que luego aparezca en los reports.
El enunciado del problema incluye una corriente de inertes, por lo que también debe recogerse en el
simulador. Para introducir el inerte en el proceso podemos elegir una sustancia que en principio no
afecte al proceso, como es el nitrógeno.
Seguidamente pulsamos la tecla “NEXT”
y continuamos introduciendo el tipo de proceso
“Common” y el método de estimación y comportamiento del sistema “IDEAL”
pulsamos la tecla “NEXT”
y definimos la corriente de alimentación.
Para ello es necesario conocer los caudales molares de alimentación de cada componente. En el
enunciado nos indican que entran en proporciones estequiométricas y un 0,5% de inerte. Suponemos
una base de cálculo de 100 kmol/s y habrá que realizar los cálculos de forma manual. Según esto,
entrarán 24,875 kmol/s de CO2; 74,625 kmol/s de H2 y 0,5 kmol/s de Inerte (comprobar que la suma de
todos los componentes da 100 kmol/sec).
Además habrá que introducir los datos de presión y temperatura de la corriente de entrada.
Pulsamos la tecla “NEXT”
y vamos definiendo cada una de las unidades del diagrama.
(En todos los casos, el nombre de la unidad aparecerá especificado en la parte superior de la ventana)
En la unidad de purgado se define la fracción (siempre se utiliza tanto por 1) que circula por la
corriente de purga.
En el reactor hay que introducir información en diferentes menus desplegables:
-
-
En “Specifications”, habrá que definir condiciones de presión (70 atm) y temperatura (200 ºC) (en realidad en este problema dichas condiciones no se usan en la simulación, ya que en este tipo de reactor (estequiomético) nosotros fijaremos la conversión a alcanzar, y la conversión no será calculada en función de la temperatura ni de la presión). En el menú de “REACTIONS” pulsamos en el botón “New” para incluir los reactivos y productos, teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción. Pinchando dentro de las celdas que aparecen en blanco debajo de “Component”, aparece una casillla desplegable donde podemos seleccionar cada componente que corresponda en reactivos o productos y le asignamos su coeficiente estequiométrico (con signo negativo para los reactivos, pues desaparecen al transcurrir la reacción) En el separador se indicará la fracción (en tanto por 1) que se obtiene de cada componente por una de
las dos salidas: la corriente de cabeza o la corriente de cola (en este tipo de separador no se hacen
cálculos. Fijamos lo que sale por una de las corrientes y automáticamente asigna la fracción restante a
la otra corriente).
Por los datos del enunciado, es más sencillo especificar los componentes que salen por la corriente de
cabeza.
Un vez completadas todas las unidades, se pulsa la tecla “NEXT”
y si toda la información
necesaria ha sido correctamente introducida nos aparecerá el siguiente mensaje, donde pulsaremos OK
para realizar la simulación del proceso.
Nos aparecerá la pantalla de resultados (Results summary) indicándonos las incidencias de la
simulación. (si todo está correcto aparecerá el texto “calculations were completed normally”. También
puede aparecer alguna advertencia tipo “Warning” para avisarnos de alguna pequeña incidencia, o
aparecerá el texto “error” si la simulación ha fallado en alguna etapa)
Pinchando en “Streams”, nos aparecerá una pantalla con los resultados de cada una de las corrientes. Si
pulsamos el botón “STREAM TABLE”. La tabla de resultados se insertará junto al diagrama del
proceso.
Para resollver el probblema, será necesario irr a la pantaalla donde se
s especificaa el caudal de la
alimentaciión (pinchanddo dos vecess sobre la coorriente de allimentación, por ejemploo) y en la cellda de
“total flow
w” vamos moodificando la base de cálcculo de la alim
mentación paara que se obbtenga el resu
ultado
deseado, es
e decir, 1 kmol/s
k
en laa corriente de cabeza parra el metanool. Se puedee ir tanteand
do con
o se puede hacer
distintos caudales de alimentación
a
h
previam
mente el cálcculo del factoor de escalam
miento
necesario e introducir el
e valor.
Para ir tannteando cauddales de alim
mentación y ver qué caud
dal se va obbteniendo de metanol, haay que
pulsar el botón verde de
d la serie quee aparece en la barra de herramientas.
De esta foorma, modifi
ficando el vaalor del cauddal total de alimentaciónn, al pulsar “intro” se obtiene
directamennte el resultaado de la nuueva simulacción (que pu
uede verse siimultaneamennte en la tab
bla de
resultados)), sin necesiddar de pulsar la tecla NEX
XT.
Chapter 7
7
Physical Property
Methods
Choosing the appropriate property method is often the key decision in
determining the accuracy of your simulation results. This chapter provides
guidelines for choosing appropriate property methods and models including:
• What is a property method
• Available property methods
• Choosing a property method
• Creating new property methods
• Specifying the global property method
• Specifying a property method for a flowsheet section
• Specifying a local property method
• Defining supercritical components
• Specifying properties for the free-water phase
• Special method for K-value of water in the organic phase
• Specifying electrolyte calculations
• Modifying property methods
• Property methods for nonconventional components
What Is a Property Method?
A property method is a collection of methods and models that Aspen Plus uses to
compute thermodynamic and transport properties.
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
7-1
Physical
Property
Methods
The thermodynamic properties are:
• Fugacity coefficient (K-values)
• Enthalpy
• Entropy
• Gibbs free energy
• Volume
The transport properties are:
• Viscosity
• Thermal conductivity
• Diffusion coefficient
• Surface tension
Aspen Plus includes a large number of built-in property methods that are
sufficient for most applications. However, you can create new property methods
to suit your simulation needs.
Available Property Methods
You must select one or more Property Methods to model the properties of specific
systems in your flowsheet. Each property method has a unique approach to
representing K-values.
The following tables list all of the property methods available in Aspen Plus.
You can modify these existing methods or create new methods. For more
information, see Modifying Property Methods on page 7-18.
Property Methods
Ideal Property Methods
7-2
Ideal Property Method
K-Value Method
IDEAL
Ideal Gas/Raoult's law/Henry's law
SYSOP0
Release 8 version of Ideal Gas/Raoult's law
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Chapter 7
Equation-of-State Property Methods
Equation-of-State Property Method
K-Value Method
BWR-LS
BWR Lee-Starling
LK-PLOCK
Lee-Kesler-Plöcker
PENG-ROB
Peng-Robinson
PR-BM
Peng-Robinson
with Boston-Mathias alpha function
PRWS
Peng-Robinson
with Wong-Sandler mixing rules
PRMHV2
Peng-Robinson
with modified Huron-Vidal mixing rules
PSRK
Predictive Redlich-Kwong-Soave
RKSWS
Redlich-Kwong-Soave
with Wong-Sandler mixing rules
RKSMHV2
Redlich-Kwong-Soave
with modified Huron-Vidal mixing rules
RK-ASPEN
Redlich-Kwong-ASPEN
RK-SOAVE
Redlich-Kwong-Soave
RKS-BM
Redlich-Kwong-Soave
with Boston-Mathias alpha function
SR-POLAR
Schwartzentruber-Renon
Activity Coefficient Property Methods
Activity Coefficient
Property Method
Liquid Phase Activity
Coefficient Method
Vapor Phase Fugacity
Coefficient Method
B-PITZER
Bromley-Pitzer
Redlich-Kwong-Soave
ELECNRTL
Electrolyte NRTL
Redlich-Kwong
ENRTL-HF
Electrolyte NRTL
HF Hexamerization model
ENRTL-HG
Electrolyte NRTL
Redlich-Kwong
NRTL
NRTL
Ideal gas
NRTL-HOC
NRTL
Hayden-O'Connell
NRTL-NTH
NRTL
Nothnagel
NRTL-RK
NRTL
Redlich-Kwong
NRTL-2
NRTL (using dataset 2)
Ideal gas
PITZER
Pitzer
Redlich-Kwong-Soave
PITZ-HG
Pitzer
Redlich-Kwong-Soave
continued
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
7-3
Physical
Property
Methods
Activity Coefficient
Property Method
Liquid Phase Activity Coefficient
Method
Vapor Phase Fugacity
Coefficient Method
UNIFAC
UNIFAC
Redlich-Kwong
UNIF-DMD
Dortmund-modified UNIFAC
Redlich-Kwong-Soave
UNIF-HOC
UNIFAC
Hayden-O'Connell
UNIF-LBY
Lyngby-modified UNIFAC
Ideal gas
UNIF-LL
UNIFAC for liquid-liquid systems
Redlich-Kwong
UNIQUAC
UNIQUAC
Ideal gas
UNIQ-HOC
UNIQUAC
Hayden-O'Connell
UNIQ-NTH
UNIQUAC
Nothnagel
UNIQ-RK
UNIQUAC
Redlich-Kwong
UNIQ-2
UNIQUAC (using dataset 2)
Ideal gas
VANLAAR
Van Laar
Ideal gas
VANL-HOC
Van Laar
Hayden-O'Connell
VANL-NTH
Van Laar
Nothnagel
VANL-RK
Van Laar
Redlich-Kwong
VANL-2
Van Laar (using dataset 2)
Ideal gas
WILSON
Wilson
Ideal gas
WILS-HOC
Wilson
Hayden-O'Connell
WILS-NTH
Wilson
Nothnagel
WILS-RK
Wilson
Redlich-Kwong
WILS-2
Wilson (using dataset 2)
Ideal gas
continued
7-4
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Chapter 7
Activity Coefficient
Property Method
Liquid Phase Activity
Coefficient Method
Vapor Phase Fugacity
Coefficient Method
WILS-HF
Wilson
HF Hexamerization model
WILS-GLR
Wilson (ideal gas and liquid enthalpy Ideal gas
reference state)
WILS-LR
Wilson (liquid enthalpy reference
state)
Ideal gas
WILS-VOL
Wilson with volume term
Redlich-Kwong
Property Methods for Special Systems
Property Methods for Special K-Value Method
Systems
System
AMINES
Kent-Eisenberg amines model
H2S, CO2, in MEA, DEA, DIPA, DGA
solution
APISOUR
API sour water model
Sour water with NH3, H2S, CO2
BK-10
Braun K-10
Petroleum
SOLIDS
Ideal Gas/Raoult's law/Henry's law/solid activity
coefficients
Pyrometallurgical
CHAO-SEA
Chao-Seader corresponding states model
Petroleum
GRAYSON
Grayson-Streed corresponding states model
Petroleum
STEAM-TA
ASME steam table correlations
Water/steam
STEAMNBS
NBS/NRC steam table equation of state
Water/steam
Choosing a Property Method
Use the tables starting on page 7-6 and the figures on page 7-10 to select the best
property method for your simulation. For more information, see also Chapter 8
for detailed descriptions of the data requirements for each property method.
Many methods contain extensive built-in binary parameters, so they are
essentially predictive.
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
7-5
Physical
Property
Methods
Recommended Property Methods for Different
Applications
Use these tables as guidelines for selecting the best property method for your
simulation.
Oil and Gas Production
Application
Recommended Property Methods
Reservoir systems
PR-BM, RKS-BM
Platform separation
PR-BM, RKS-BM
Transportation of oil and gas by pipeline
PR-BM, RKS-BM
Refinery
7-6
Application
Recommended Property Methods
Low pressure applications
(up to several atm)
Vacuum tower, atmospheric crude tower
BK10, CHAO-SEA, GRAYSON
Medium pressure applications
(up to several tens of atm)
Coker main fractionator,
FCC main fractionator
CHAO-SEA, GRAYSON, PENG-ROB, RK-SOAVE
Hydrogen-rich applications
Reformer, Hydrofiner
GRAYSON, PENG-ROB, RK-SOAVE
Lube oil unit, De-asphalting unit
PENG-ROB, RK-SOAVE
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Chapter 7
Gas Processing
Application
Recommended Property Methods
Hydrocarbon separations
Demethanizer
C3-splitter
PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE
Cryogenic gas processing
Air separation
PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE
Gas dehydration with glycols
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Acid gas absorption with
Methanol (RECTISOL)
NMP (PURISOL)
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Acid gas absorption with
Water
Ammonia
Amines
Amines + methanol (AMISOL)
Caustic
Lime
Hot carbonate
ELECNRTL
Claus process
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Petrochemicals
Application
Recommended Property Methods
Ethylene plant
Primary fractionator
CHAO-SEA, GRAYSON
Light hydrocarbons
Separation train
Quench tower
PENG-ROB, RK-SOAVE
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Substituted hydrocarbons
VCM plant
Acrylonitrile plant
PENG-ROB, RK-SOAVE
Ether production
MTBE, ETBE, TAME
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Ethylbenzene and styrene plants
PENG-ROB, RK-SOAVE
–or–
†
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Terephthalic acid
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
(with dimerization in acetic acid section)
†
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
†
Aromatics
BTX extraction
†
†
See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association.
7-7
Physical
Property
Methods
Chemicals
Application
Recommended Property Methods
Azeotropic separations
Alcohol separation
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Carboxylic acids
Acetic acid plant
WILS-HOC, NRTL-HOC, UNIQ-HOC
Phenol plant
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Liquid phase reactions
Esterification
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Ammonia plant
PENG-ROB, RK-SOAVE
Fluorochemicals
WILS-HF
Inorganic Chemicals
Caustic
Acids
Phosphoric acid
Sulphuric acid
Nitric acid
Hydrochloric acid
ELECNRTL
Hydrofluoric acid
ENRTL-HF
†
†
†
†
See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association
Coal Processing
Application
Recommended Property Methods
Size reduction crushing, grinding
SOLIDS
Separation and cleaning sieving,
SOLIDS
cyclones, precipitation, washing
7-8
Combustion
PR-BM, RKS-BM (combustion databank)
Acid gas absorption with
Methanol (RECTISOL)
NMP (PURISOL)
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Acid gas absorption with
Water
Ammonia
Amines
Amines + methanol (AMISOL)
Caustic
Lime
Hot carbonate
ELECNRTL
Coal gasification and liquefaction
See Synthetic Fuels table.
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Chapter 7
Power Generation
Application
Recommended Property Methods
Combustion
Coal
Oil
PR-BM, RKS-BM (combustion databank)
Steam cycles
Compressors
Turbines
STEAMNBS, STEAM-TA
Acid gas absorption
See gas processing.
Synthetic Fuel
Application
Recommended Property Methods
Synthesis gas
PR-BM, RKS-BM
Coal gasification
PR-BM, RKS-BM
Coal liquefaction
PR-BM, RKS-BM, BWR-LS
Environmental
Application
Recommended Property Methods
Solvent recovery
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
†
(Substituted) hydrocarbon stripping
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
†
Acid gas stripping from
Methanol (RECTISOL)
NMP (PURISOL)
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Acid gas stripping from:
Water
Ammonia
Amines
Amines + methanol (AMISOL)
Caustic
Lime
Hot carbonate
ELECNRTL
Acids
ELECNRTL
Stripping
Neutralization
†
See the figures on pages 7-11 through 7-12 for recommendations based on pressure and vapor phase association.
Water and Steam
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Application
Recommended Property Methods
Steam systems
Coolant
STEAMNBS, STEAM–TA
7-9
Physical
Property
Methods
Mineral and Metallurgical Processes
Application
Recommended Property Methods
Mechanical processing:
Crushing
Grinding
Sieving
Washing
SOLIDS
Hydrometallurgy
Mineral leaching
ELECNRTL
Pyrometallurgy
Smelter
Converter
SOLIDS
Guidelines for Choosing a Property Method
The following diagrams show the process for choosing a property method.
Non-electrolyte
*
Polar
Electrolyte
ELECNRTL
Real
PENG-ROB, RK-SOAVE,
LK-PLOCK, PR-BM,
RKS-BM
> 1atm
Nonpolar
CHAO-SEA, GRAYSON,
BK10
Pseudo &
Real
Vacuum
Polarity
Electrolyte
Real or Pseudocomponents
Pressure
* See the figure
7-10
BK10, IDEAL
on page 7-11.
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Chapter 7
Guidelines for Choosing a Property Method
Y
NRTL, UNIQUAC,
and their variances
Y
N
P < 10 bar
Y
WILSON, NRTL, UNIQUAC,
and their variances
UNIF-LL
N
Polar,
non-electrolyte
N
Y
SR-POLAR, PRWS,
RKSWS, PRMHV2,
RKSMHV2
P > 10 bar
N
Pressure
UNIFAC, UNIF-LBY,
UNIF-DMD
PSRK, RKSMHV2
Liquid-Liquid
Interaction parameters available
* See the figure on page 7-12 .
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
7-11
Physical
Property
Methods
Guidelines for Choosing a Property Method for Polar
Non-Electrolyte Systems
Guidelines for Choosing an Activity Coefficient Property
Method
Hexamers
WILS-HF
DP?
Y
WILSON
NRTL
UNIQUAC
UNIFAC
Dimers
WILS-NTH, WILS-HOC
NRTL-NTH, NRTL-HOC
UNIQ-NTH, UNIQ-HOC
UNIF-HOC
VAP?
N
WILSON, WILS-RK,
WILS-LR, WILS-GLR,
NRTL, NRTL-RK, NRTL-2
UNIQUAC, UNIQ-RK,
UNIQ-2, UNIFAC, UNIF-LL,
UNIF-LBY, UNIF-DMD
Vapor phase association
Degrees of polymerization
General Guidelines for Choosing an Activity Coefficient Property
Method
Specifying the Global Property Method
Aspen Plus uses the global property method for all property calculations, unless
you specify a different property method for a specific flowsheet section, unit
operation block, or property analysis.
To specify the global property method:
1. From the Data menu, click Properties.
2. On the Global sheet, in the Property Method list box, specify the property
method.
7-12
Aspen Plus User Guide
Version 10.2
Grado en Ingeniería Química
Diseño de Reactores
Curso 2013-14
PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA
Simulación de reactores con Aspen-Plus
Parte 1: Modelos de reactores
A) Hay 7 modelos de reactores en Aspen Plus:
Modelo
RStoic
Descripción
Reactor
estequiométrico
RYield
Reactor de
producción
REquil
Reactor de
equilibrio
RGibbs
Reactor de
equilibrio con
minimización
de energía de
GIBBS
Reactor
continuo de
tanque agitado
RCSTR
Propósito
Modela reactores
estequiométricos con
extensión o conversión
especificada
Modela reactor con una
producción específica
Realiza equilibrio
químico y de fases por
cálculos estequiométricos
Realiza equilibrio
químico y de fases por
minimización de la
energía de GIBBS
Modela de forma rigurosa
reactor de tanque agitado
(mezcla perfecta)
RPlug
Reactor de flujo
pistón
Modela de forma rigurosa
reactor de flujo pistón
RBatch
Reactor
discontinuo
Modela de forma rigurosa
reactores discontinuos o
semicontinuos
Utilidad
Reactores donde la cinética no se conoce o es poco
importante, pero la estequiometría y la extensión
de la reacción o la conversión son conocidas
Reactores donde la estequiométrica y la cinética
son desconocidas o poco importantes, pero el
rendimiento/distribución de los productos sí es
conocida
Reactores en los que una o todas las reacciones
alcanzan el equilibrio. Cálculo con simultáneos
equilibrios químicos y de fases.
Reactores con simultáneos equilibrios químicos y
de fases. Cálculo de equilibrios de fase para
soluciones con sólidos y sistemas vapor-líquidosólido.
Reactores de tanque agitados con una, dos, o tres
fases; con reacciones de equilibrio controladas en
alguna fase; basado en estequiometría o cinética.
La cinética se define de forma separada en el
bloque Reactions
Reactores de flujo pistón con una, dos, o tres fases;
con reacciones de equilibrio controladas en alguna
fase; basado en estequiometría o cinética. La
cinética se define de forma separada en el bloque
Reactions
Reactores discontinuos o semicontinuos con una,
dos, o tres fases; con reacciones de equilibrio
controladas en alguna fase; basado en
estequiometría o cinética. La cinética se define de
forma separada en el bloque Reactions
Figura 1. Detalle de las opciones a elegir en el menú desplegable “Blocks”, dentro de la pestaña de
reactores y más concretamente dentro de Reactores de tipo FMC (CSTR).
Consideraciones generales sobre los distintos modelos de reactores:





No es necesario suministrar datos del calor de reacción en ninguno de los modelos de
reactor. Aspen Plus calcula dicho calor de reacción a partir de los calores de formación de
los reactivos y productos que intervienen en cada reacción.
Los reactores de tipo RStoic, RYield, RGibbs and RCSTR admiten varias corrientes de
alimentación, y el programa realiza la mezcla internamente.
Desde un punto de un punto de vista de la ingeniería de procesos los tipos de reactor que más
nos interesan son los modelos: RStoic, RCSTR, RPlug y RBatch.
El tipo RStoic ya se ha utilizado en las prácticas de Aspen Plus de la asignatura “Balances de
Materia y Energía”. Es el modelo que permite la aplicación de dichos balances, para los que
suele ser necesario el conocimiento de la estequiometría de la reacción o reacciones que
tienen lugar, pero no es necesario el conocimiento de la cinética.
Para aplicaciones de diseño en general (calculo del volumen necesario para alcanzar una
determinada conversión, o la conversión que se alcanza en un reactor de volumen conocido,
etc.) los modelos que se suelen emplear son: RCSTR (Continuous Stirred Tank Reactor),
RPlug y RBatch. Éstos se usan para diseñar un reactor continuo de mezcla perfecta (tanque
agitado), un reactor de flujo pistón (tubular) y un reactor discontinuo o semicontinuo,
respectivamente.
En la tabla 2 se muestra un resumen de la información necesaria en cada modelo de reactor, así como
sus posibilidades de cara al diseño.
Modelo
Estequiometría Cinética Diseño Corrientes de
Alimentación
Si
No
No
1 o varias
RStoic
No
No
No
1 o varias
RYield
No
No
No
1 o varias
REquil
No
No
No
1 o varias
RGibbs
Si
Si
Si
1 o varias
RCSTR
Si
Si
Si
Solo 1
RPlug
Si
Si
Si
Solo 1
RBatch
Tabla 2. Resumen de los modelos de reactor en Aspen Plus.
B) En cuanto al tipo de reacción (Bloque Reactions), hay 2 modelos de reacción:
- Con electrolitos: intervienen especies iónicas -------------- Seleccionar: Chemistry
- Sin electrolitos: Velocidades de reacción/equilibrios ----- Seleccionar: Reactions
Para una gran mayoría de las reacciones con cinéticas de reacción o equilibrios, normalmente se trata
de sistemas sin electrolitos. Por tanto hay que entrar dentro de Reactions del bloque Reactions. Las
sucesivas reacciones que se van introduciendo, se identifican mediante un ID (Identification Number)
(R-1, R-2, etc).
Pueden usarse en los siguientes modelos de reactores (también en el modelo de columna: Radfrac):
- Rbatch
- RCSTR
- RPlug
El bloque Reactions permite usar varios modelos cinéticos para las reacciones, entre ellos:
- Modelo cinético Power Law (ecuación de tipo potencial).
- Modelo LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson).
- Modelo de equilibrio.
- Cinéticas definidas por el usuario.
C) Modelo cinético POWER LAW
La expresión general para la ecuación cinética de la reacción es la siguiente:
n
 E 1
1
N
   
T 

 R   T T0 


r  k   e
  Ci i
i 1
 T0 
Donde:
-
r = velocidad de reacción (rate of reaction)
k = factor pre-exponencial (pre-exponential factor)
T = temperatura absoluta, en grados Kelvin (absolute temperature)
T0 = temperatura de referencia (reference temperature)
n = exponente de temperatura (temperature exponent)
E = energía de activación de la reacción (activation energy)
R = constante de los gases (gas law constant)
N = number of components
Ci = concentración del componente i (concentration of component i)
α i = orden de reacción del componente i (exponent of component i)
En el caso de que no sea necesario definir una temperatura de referencia, la expresión anterior del
modelo se simplifica a:
r  k T  e
n
 E 


 RT 
N
  Ci
i
i 1
En la mayoría de los casos, se trabaja con la expresión de Arrhenius para la constante de velocidad
(es decir, n = 0); por lo que, conocidos el factor pre-exponencial (k) y la energía de activación de la
reacción (E), estaría definida la constante de velocidad.
No se debe olvidar introducir el orden de la reacción con respecto del componente (Exponent), y que
no hay que confundir con el coeficiente estequiométrico con el que dicho componente participa en la
misma (Coefficient).
Nota importante: Como se puede ver en esta figura, es posible introducir el valor de la energía de
activación en distintas unidades, pero no ocurre así con el valor del factor pre-exponencial, que
siempre debe introducirse en unidades del sistema internacional (SI).
D) Ejemplo: modelado de un Reactor CSTR
1. Establecer componentes y propiedades físicas (Chao-Seader)
Nótese que se puede escoger cualquier isómero del dietilbenceno
2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el
diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada
3. Definir las reacciones que tienen lugar dentro del bloque Reactions > Reactions > New…
4. El programa va asignando un número ID correlativo a cada reacción y en Select type escoger
POWERLAW para introducir una expresión cinética de tipo exponencial.
5. Incluir los coeficientes estequiométricos con los que participan los distintos reactivos y
productos en las distintas reacciones (Coefficient) así como los respectivos órdenes de
reacción (Exponents).
6. Poner los datos de la cinética de la reacción. Con la formulación dada no es necesario poner
nada en T0.
7. Poner las condiciones de operación del reactor en la pestaña Specifications. Nótese que en
este caso se debe poner líquido únicamente.
8. Añadir el grupo de reacciones que tiene lugar en cada reactor, seleccionándolas de entre las
que se han introducido en la pestaña Reactions.
9. Comprobar que se ha completado toda la lista de datos necesario y ejecutar la simulación.
Referencias bibliográficas:
- Aspen Plus ® Aspen Plus User Guide, Version 10.2, Aspen Technology, Inc
- Teach yourself the basics of Aspen Plus, R. Schefflan, AIChE Wiley, 2011.
Grado en Ingeniería Química
Diseño de Reactores
Curso 2013-14
PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA
Simulación de reactores con Aspen-Plus
Parte 2: Modelo cinético POWER LAW
La expresión general para la ecuación cinética de la reacción según este modelo es la siguiente:
 E 1
n
1
N
   
T 

 R   T T0 
r  k     e
  Ci i
i 1
 T0 
Donde:
-
r = velocidad de reacción (rate of reaction)
k = factor pre-exponencial (pre-exponential factor)
T = temperatura absoluta, en grados Kelvin (absolute temperature)
T0 = temperatura de referencia (reference temperature)
n = exponente de temperatura (temperature exponent)
E = energía de activación de la reacción (activation energy)
R = constante de los gases (gas law constant)
N = number of components
Ci = concentración del componente i (concentration of component i)
α i = orden de reacción del componente i (exponent of component i)
En el caso de que no sea necesario definir una temperatura de referencia, la expresión anterior del
modelo se simplifica a:
r  k T  e
n
 E 


 RT 
N
  Ci
i
i 1
En la mayoría de los casos, se trabaja con la expresión de Arrhenius para la constante de velocidad
(es decir, n=0), por lo que conocidos el factor pre-exponencial (k) y la energía de activación de la
reacción (E), estaría definida la constante de velocidad.
No se debe olvidar introducir el orden de la reacción con respecto del componente (Exponent), y que
no hay que confundir con el coeficiente estequiométrico con el que dicho componente participa en la
misma (Coefficient).
Como se puede observar en la imagen anterior dentro de R-1 se han definido 4 reacciones, todas ellas
con cinética de tipo potencial para detallar la cinética de dos reacciones reversibles: la primera y la
segunda se corresponden con las reacciones directa e inversa de descomposición del benceno
respectivamente, y la tercera y la cuarta se corresponden con las reacciones directa e inversa de la
segunda reacción.
Nota importante: Como se puede ver en esta figura, es posible introducir el valor de la energía de
activación en distintas unidades, pero no ocurre así con el valor del factor pre-exponencial, que
siempre debe introducirse en unidades del sistema internacional (SI).
Una vez que se tiene claro el modelo de reactor elegido, las reacciones que tiene lugar y su cinética,
las etapas de cualquier simulación de forma genérica serían:
1. Establecer componentes y propiedades físicas
2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el
diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada
3. Definir las reacciones que tienen lugar: Dentro del Bloque Reactions --- Reactions ---New… ---- (el programa va asignando un número ID correlativo) y en Select type: escoger
POWERLAW si la expresión cinética es de tipo exponencial
4. Incluir los coeficientes estequiométricos con los que participan los distintos reactivos y
productos en las distintas reacciones (Coefficient) así como los respectivos órdenes de
reacción (Exponents).
5. Poner los datos de la cinética de la reacción (con la formulación dada no es necesario poner
nada en T0); indicar si dicha reacción tiene lugar en fase líquida, gas, … (Reacting phase
dentro de la pestaña Kinetic); indicar la expresión de velocidad si está referida a volumen de
reactor (Rate Basis dentro de la pestaña Kinetic)
6. Dentro del bloque del reactor, indicar las condiciones de operación del reactor en la pestaña
Specifications (nótese que en este caso se debe poner líquido únicamente) y añadir el grupo
de reacciones que tienen lugar en cada reactor en concreto en la pestaña Reactions
Reactor models
There are 7 built-in reactor models, RSTOIC, RYIELD, REQUIL, RGIBBS, RPLUG,
RCSTR and RBATCH, in Aspen Plus. RPLUG, RCSTR and RBATCH are rigorous
models for plug flow, CSTR and batch reactors, respectively.
RSTOICH should be used in cases where the stoichiometry is known but the
reaction kinetics is either unknown or negligible. If both, the reaction kinetics and
stoichiometry is unknown RYIELD should be incorporated into the simulations. For
single phase chemical equilibrium or simultaneous phase and chemical equilibrium
calculations the reactor model of choice should be either REQUIL or RGIBBS. REQUIL
bases its calculations on simultaneous solution of stoichiometric chemical and p hase
equilibrium calculations whereas RGIBBS solves its model by minimizing Gibbs free
energy.
All reactor models except RPLUG and RBATCH can have any number of material
feed streams. These streams are mixed internally. The rigorous models can incorporate
built-in power law or Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson kinetics or custom
kinetics specified by user. Custom kinetics can be defined either in Fortran subroutines
or in excel worksheets.
Table 1 Summary of reactor models in Aspen Plus
Model
Stoichiometry Kinetics Rigorous Feed
RSTOIC
Yes
No
No
Any
RYIELD
No
No
No
Any
REQUIL
No
No
No
Any
RGIBBS
No
No
No
Any
RBATCH
Yes
Yes
Yes
1
RCSTR
Yes
Yes
Yes
Any
RPLUG
Yes
Yes
Yes
1
8
Example Problem - Pyrolysis of Benzene
Aspen Plus will be introduced with benzene pyrolysis reaction in a plug flow reactor
in this tutorial. The next three pages will present the details and the data.
Diphenyl (C 12H10) is an important industrial intermediate. One production scheme
involves the pyrolytic dehydrogenetation of benzene (C 6H6 ) [1]. During the process,
triphenyl (C 18H14) is also formed by a secondary reaction.
The reactions are as follows:
(1)
2 C 6 H 6 → C12 H 10 + H 2
←
(2)
C 6 H 6 + C12H 10 → C18 H 14 + H 2
←
Substituting the symbolic IDs A = C 6H6, B = C12H10, C = C 18H14 and D = H2
(3)
2A → B+D
←
(4)
A+ B → C+D
←
Murhpy, Lamb and Watson presented some laboratory data regarding these
reactions originally carried out by Kassell [2]. In these experiments, liquid benzene was
vaporized, heated to the reaction temperature and fed to a plug flow reactor (PFR). The
product stream is condensed and analyzed for various components. The results are
tabulated in Table 1.
Table 2 Laboratory data for P = 1 atm.
Temperature
Flow rate
yA
yB
yC
yD
(°F)
(lbmole/hr)
1400
0.0682
0.8410
0.0695
0.00680
0.0830
1265
0.0210
0.8280
0.0737
0.00812
0.0900
1265
0.0105
0.7040
0.1130
0.02297
0.1590
1265
0.0070
0.6220
0.1322
0.03815
0.2085
1265
0.0053
0.5650
0.1400
0.05190
0.2440
1265
0.0035
0.4990
0.1468
0.06910
0.2847
1265
0.0030
0.4820
0.1477
0.07400
0.2960
1265
0.0026
0.4700
0.1477
0.07810
0.3040
1265
0.0007
0.4430
0.1476
0.08700
0.3220
1265
0.0003
0.4430
0.1476
0.08700
0.3220
9
Additional data
A = C 6H6
B = C 12H10
C = C 18H14
D = H2
The reactor tube dimensions:
L = 37.5 in, D = 0.5 in
Rate laws

p p
− r1A = k1 A  p 2A − B D
K 1A





p p
− r2B = k 2 B  p A p B − C D
K2B




Specific reaction rate constants
k 1A = A1 exp( −
E1
)
RT
k 2B = A2 exp( −
E2
)
RT
Equilibrium constants
ln K1A = A′ +
B′
+ C ′ ln( T ) + D ′ T + E ′ T 2
T
ln K 2B = A′′ +
B′′
+ C ′′ ln( T ) + D ′′ T + E ′′ T 2
T
10
Parameter values
E1 = 30190 cal/mol
A1 = 7.4652E6 lbmole/h/ft3/atm2
E2 = 30190 cal/mol
A2 = 8.6630E6 lbmole/h/ft3/atm2
A’ = -19.76
A’’ = -28.74
B’ = -1692
B’’ = 742
C’ = 3.13
C’’ = 4.32
D’ = -1.63E-3
D’’ = -3.15E-3
E’ = 1.96E-7
E’’ = 5.08E-7
P = 14.69595 psi
R = 1.987 cal/mol/K
Exercise
Follow the instructions during the lab session and use the handouts to replicate the
data presented in Table 1 for T = 1400 °F and P = 1 atm using Aspen Plus. What is
the percent difference between experimental and simulated mole fractions?
[1]
H.S. Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3rd ed., p.77-79,
Prentice Hall, New Jersey, 1999.
[2]
G.B. Murphy, G.G. Lamb, and K.M. Watson, Trans. Am. Inst. Chem. Engrs.,
(34) 429, 1938.
11
Tutorial
Flowsheet
We will start creating our flowsheet by adding a reactor from Model Library toolbar
to the Process Flowsheet Window. Select the Reactors tab on the Model Library
toolbar. The built-in models for reactors are RSTOICH, RYIELD, REQUIL, RGIBBS,
RCSTR, RPLUG and RBATCH. Clicking the down arrow to the right of the model gives
different symbol choices for the user to insert into the flowsheet.
Select the left bottom symbol after expanding the RPLUG symbols and draw a
rectangle where you want to insert on the Process Flowsheet Window. Now the Process
Flowsheet Window should have an icon representing your plug flow reactor as shown in
the next picture. In Aspen Plus terminology it is a Block. Hence, it is named by default
as B1.
12
Now select the STREAMS section of the Model Library toolbar. Aspen Plus has
three different stream categories, Material, Heat and Work, as shown in the next figure.
Material Stream is the default icon shown.
13
After selecting the Material Stream icon draw a line on the flowsheet from a point to the
left of the block B1 towards B1. You will realize two highlighted arrows as you approach
the block. The red line is the required FEED connection to RPLUG. The blue line is the
optional heating or cooling fluid entrance. Select the red arrow to connect your feed
stream.
The stream is named as S1 by default. Similarly connect your product stream to the
block. When you are done your flowsheet should look like the following picture. There
will be still two highlighted blue arrows for heat duty requirements. As these streams are
optional we can proceed with the next activity. Note the change in the status message
from Flowsheet Not Complete to Required Input Incomplete. Clicking on the arrow
above the streams icon will hide the blue arrows and let you freely move the icons on
your flowsheet and arrange them to your liking.
14
One thing that might be useful is to align the streams and blocks. To do that,
draw a large rectangle to select all of your icons on the flowsheet and then right click to
activate a pop up menu. Select the Align Blocks entry from this pop up menu. If you do
not select all icons, but only one, a different pop up menu will be activated.
You can also rename the objects you insert onto the flowsheet. To do that highlight the
object you want to rename and click the right mouse button. A pop up menu will be
activated. Select the Rename Block entry from it. The next picture shows the rename
operation for the block B1.
15
After renaming stream S1 to FEED, stream S2 to PRODUCT and B1 to
REACTOR the flowsheet will look like the following picture. At this stage the flowsheet is
complete and the rest of the specification is done with Input Forms.
Whenever you have doubts on what to do next , the lowest energy action is to
click the Next Button.
This button will take you to next part of the specification or tell you what is missing from
your specifications.
16
At this point, we know that the flowsheet is complete. However, we also know
that parts of the required input are missing. Remember, if we are not sure what to do
next we click the Next Button.
17
Components input forms
The response will be a message dialog offering to display the next input form.
Clicking on ok brings up the Components section of the Data Browser.
Fill out the table as suggested in the above picture. Component ID is essentially an
alias for the components. As the components we are dealing in this problem are simple
enough I used their formulas as component IDs. From these component IDs Aspen
Plus fills out the name and formula columns. However, for the fourth component it will
fail because there are three isomers with the same formula : Meta-, Para-, and Ortho terphenyl. As another hint, enter TERPHENYL in the name column of the fourth
component. This will bring up a dialog box as follows:
18
Select M-TERPHENYL, click Add and finally, close the dialog. Now the input form
should look like the next picture.
19
The blue check sign indicates that the minimum requirements for this section are
complete. Now, hitting the Next Button will take you to the next input form. However,
let’s modify the defaults selected by Aspen Plus in the Setup section, first. Therefore
close the Components section and open the Setup section in the Data Browser.
20
Setup input form
One useful option set to customize is the Report Options. The next picture
illustrates my choices.
Although optional, it is also a good idea to fill out a title and description for your
project. The next two pages show two suggestions for these entries.
21
22
Next Button will take you to the Properties input forms.
23
Properties input forms
In this section the parameters for various component properties are set. As the
pressure is low enough ideal conditions will be assumed. SYSOP0 is the property
method in Aspen Plus™ that provides ideal behavior in liquid and vapor phases. You
can get information about a feature by selecting the What’s this? entry from Help menu
and clicking on the feature you are interested in. Most of the time a yellow tool tip box
will pop up with a short reasonable description.
24
Streams input forms
FEED steam is assumed to consist of pure benzene at atmospheric pressure with
conditions specified in the example problem description.
25
Blocks input forms
Now we will specify the reactor specifications. First, we assume isothermal
operation at inlet conditions.
26
Next, we enter the physical dimensions of the reactor. Note the option about the
multitube reactors.
27
Finally, we define a reaction set for our simulation. The default name R-1 is fine.
28
We will represent reactions with power law kinetics in this reaction set.
29
Reactions input forms
In these forms we will first enter the stoichiometric and power law coefficients for all
components in each reaction, and then we will move on to kinetics tab. In Aspen Plus™
notation we will represent the two reversible reactions as four separate reactions, each
with their own kinetic expression. Select New to proceed and fill the boxes as suggested
by the following pictures.
30
After completing the first reaction select New from Reaction No. list. Enter 2 for
reaction number as suggested below.
Next picture will show the coefficients for the reversed part of the first reaction. In
Aspen Plus™ notation, this will be our 2 nd reaction
31
In these entries note that we brought all species on a “per mole of benzene” basis.
This is an important detail.
Similarly, enter the last two equations. The next screen will show the resulting
stoichiometric relations.
32
33
The kinetics coefficients are specified in the following four pages. Note that the
definition of the kinetic factor expression is a little different. It is a more general definition
for the specific reaction rate constant. When To is ignored Aspen Plus™ defaults back
to simpler Arrhenius Equation. Also note that k should be specified in SI units
regardless of the units used elsewhere.
SI units
34
35
36
All required input is now complete. We are ready to run the simulation. Clicking the
Next Button will invoke the following dialog.
37
Control Panel
Control panel will show the progress of our simulation. All warning, error, and status
messages will also be presented in this screen. After the simulation completes
successfully we can analyze them pressing the blue folder icon with check mark on the
Control Panel toolbar.
38
Results
The results summary is shown by default. The first page is the run status screen.
39
The streams screen gives the results for all streams. You can compare the mole
fractions to the one reported in the original problem specification.
40
The profiles screen is where you will find concentration, temperature, etc. profiles
along the reactor. These results can be analyzed by the Plot Wizard entry from the Plot
menu.
To plot the molar concentration profiles follow the steps outlined in the next three
pages.
41
42
43
This concludes our introductory tutorial on Aspen Plus™.
44
Grado en Ingeniería Química
Diseño de Reactores
Curso 2013-14
PRÁCTICAS DE INFORMÁTICA
Simulación de reactores con Aspen-Plus
Tema 3: Modelo cinético de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson
Para el caso de reacciones catalizadas por sólidos, se suelen considerar que se dan las siguientes
etapas en serie en el proceso:
- 1. transporte de reactivos hasta la superficie de la partícula sólida catalítica
- 2. transporte de reactivos en los poros del catalizador
- 3. adsorción de reactivos en los centros activos de la partícula
- 4. reacción superficial
- 5. desorción de los productos
- 6. transporte de productos en los poros del catalizador
- 7. transporte de productos desde la superficie hasta el seno del fluido
Las etapas “de superficie” son las etapas 3, 4 y 5 (adsorción, reacción y desorción) y que son las que
constituyen las etapas de reacción catalítica. En muchas ocasiones, el fenómeno de superficie es la
etapa controlante del proceso global. Las expresiones de velocidad que se deducen teniendo en
cuenta los distintos mecanismos de las distintas etapas, tienen todas la forma:
velocidad de reacción =
(tér min o cinético) × ( potencial o desplazamiento del equilibrio)
(tér min o de resistencia )
Cada mecanismo de reacción con su factor controlante tiene su correspondiente ecuación de
velocidad, incluyendo cada una de tres a siete coeficientes arbitrarios.
En Aspen Plus, el modelo cinético válido para este tipo de reacciones que incluyen en su expresión
de velocidad el fenómeno de adsorción/desorción, es el modelo Langmuir-Hinshelwood-HougenWatson, que aparece con sus siglas LHHW en el desplegable de los modelos de cinética de reacción.
De forma análoga a lo anteriormente expuesto, la expresión general para la ecuación cinética es la
siguiente:
r=
(kinetic
factor ) × (driving force exp ression )
(adsorption exp ression )
El término cinético (kinetic factor) sigue teniendo la expresión genérica (idéntica a la que nos
encontramos en el modelo POWERLAW):
n
æE öé1 1 ù
æ T ö -çè R ÷ø×êë T -T0 úû
(kinetic factor ) = k × çç ÷÷ × e
è T0 ø
El término de potencial o fuerza impulsora (driving force) también tiene una expresión análoga:
N
( driving force exp ression ) = K1 × Õ Ci
i =1
ai
M
- K2 × Õ C j
bj
j=1
El término de resistencia (adsorption expresión) tiene la siguiente expresión:
éM
æ N ui ö ù
( adsorption exp ression ) = ê å K j × ç Õ Ci ÷ú
è i=1
øû
ë j=1
Ejemplo: modelado de un Reactor CSTR
1. Establecer componentes y propiedades físicas (Chao-Seader)
Nótese que se puede escoger cualquier isómero del dietilbenceno
m
2. Seleccionar el equipo (tipo de reactor en concreto con el que se quiere trabajar), hacer el
diagrama de procesos y rellenar datos de la corriente de entrada
3. Definir las reacciones que tienen lugar: Dentro del Bloque Reactions --- Reactions ---New… ---- (el programa va asignando un número ID correlativo) y en Select type: escoger
POWERLAW si la expresión cinética es de tipo exponencial
4. Poner la estequiometría de las reacciones sin olvidar que los exponentes (Exponents) indican
el orden de la reacción
5. Poner los datos de la cinética de la reacción (con la formulación dada no es necesario poner
nada en T0)
6. Poner las condiciones de operación del reactor en la pestaña Specifications (nótese que en
este caso se debe poner líquido únicamente) y añadir el grupo de reacciones que tienen lugar
en cada reactor en concreto en la pestaña Reactions
Referencias bibliográficas:
- Aspen Plus ® Aspen Plus User Guide, Version 10.2, Aspen Technology, Inc
- Teach yourself the basics of Aspen Plus, R. Schefflan, AIChE Wiley, 2011.
ASPEN PLUS EN DISEÑO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN SESIÓN 1 y 2 Objetivos 1) Identificar las herramientas auxiliares de Aspen plus para obtener información útil de tipo termodinámica y de equilibrio de fases para resolver problemas de separación. 2) Conocer los principales modelos del software y sus limitaciones y posibilidades. 2) Resolver problemas sencillos tipo Flash y aprender a hacer análisis de sensibilidad y de especificación de condiciones. Contenido NOTA IMPORTANTE: Entrar por la interfaz de usuario (Aspen Tech/Process Modelling/Aspen Plus/ Aspen Plus User interface Se generará un error de red (en segundo plano) que hay que aceptar. OTRA NOTA IMPORTANTE: Cada caso de Aspen Plus genera varios archivos del mismo nombre de diferentes extensiones. Es conveniente crear una carpeta por caso para que todos estos archivos estén en la misma carpeta y no haya problemas de pérdida de datos. Comentar los distintos modelos que emplea ASPEN PLUS para operaciones de separación En la librería de unidades encontraremos unidades de separación en dos pestañas: separators (operaciones en una etapa) y columns (separación en varias etapas). Los bloques con el mismo nombre son la misma unidad , sólo cambia el icono. 
La pestaña separators incluye cinco posibilidades: Sep 1 y Sep 2. Sep 1 es un separador simple (que puede obedecer a cualquier operación de separación) que simplemente permite especificar la fracción de cada componente de una corriente que se separa. No hay aspectos de diseño, ni relacionados con la naturaleza de la operación y tampoco aspectos energéticos. Simplemente "fracciona" los componentes como una caja negra. Admite varias entradas y salidas pero hay que especificar el fraccionamiento en cada unidad de todos los componentes. Es útil si el balance de energía es desconocido o no importa. Sep 2 es similar aunque admite algunos parámetros de rendimiento adicionales. En ambos casos se obvian los detalles de la separación. Flash 2 y flash 3 Flash 2 es un modelo riguroso que simula un separador de una sola etapa con una o más entradas y dos salidas: una de vapor y otra líquida. Opcionalmente se puede especificar una salida adicional de decantación de agua. Permite especificar un comportamiento V‐L o V‐L‐L en su interior para condiciones de mezclas inmiscibles Como es riguroso necesita de que se especifique el estado energético del sistema indicando dos de los siguientes parámetros: P, T, intercambio de calor o fracción de vapor generada. Flash 3 es similar aunque se obtienen tres corrientes de salida (V‐L‐L) lo que implica separación de fases inmiscibles líquidas. Puede especificarse con una corriente de vapor nula lo que lo convierte en un decantador L‐L en el que se generan vapores que no se separan (en equilibrio). Tanto uno como otro permiten especificar un porcentaje de arrastre de la fase líquida en la corriente de salida del vapor. Los bloques flash además de resolver este tipo de unidades sencillas permiten obtener todo tipo de información termodinámica y de equilibrio de las mezclas de componentes que contienen. Si se especifica una fracción de vapor de 0 se obtienen las condiciones del punto de burbuja y si se especifica una fracción de vapor de 1 se obtienen las condiciones del punto de rocío. Por otra parte si se especifica la condición "Heat duty = 0" se convierte en un flash adiabático. Especificando un valor de temperatura es isotérmico. Decanter: Obedece a la operación unitaria de separación L‐L en una etapa con suficiente tiempo de residencia para estabilizar las fases y sin generación de volátiles (en tal caso hay que usar Flash 3 con V=0). Se debe especificar la condición termodinámica con dos de los tres parámetros :P, T o intercambio de calor. Puede generar información termodinámica y de equilibrio de fases L‐L. 
La pestaña columns incluye cuatro modelos genéricos (DSTWU, DISTL, RADFRAC y EXTRACT y cuatro modelos específicos: MULTIFRAC, SCFRAC, PETROFRAC y BATCHSEP). Modelos simplificados: DSTWU, DISTL y SCFRAC Los modelos DSTWU y DISTL son los más sencillos y generan columnas únicas. Permiten incorporar una separación de agua en el condensador de cabeza y realizar cálculos free‐water. El modelo SCFRAC también es del mismo tipo pero tiene aplicaciones específicas de refinería. El modelo DSTWU opera bajo el método de cálculo de fracción ligera y fracción pesada de Winn‐Underwood‐Gilligand. Sólo admite una alimentación y dos corrientes de salida (cabeza y cola) aunque el condensador de cabeza puede ser total o parcial. Es la mejor opción para mezclas binarias o asimilables a binarias (clave ligera‐clave pesada) donde sólo se pretenda optimizar el rendimiento de destilación en base al número de platos y la relación de reflujo. Permite optimizar la colocación del plato de alimentación y calcular los requerimientos de calor en el condensador y el calderín. Su campo de aplicación es el refino y optimización de la solución de métodos aproximados (McCabe‐Thiele y Sorel‐Lewis). Puede generar diagramas y tablas L/D vs NPT. Por su parte el modelo DISTL es similar al DSTWU pero admite una alimentación multicomponente sin tener que aproximarlo a una mezcla binaria. Se deben especificar la relación de reflujo, el número de platos teóricos y la ratio de productividad (D/F). Luego mediante simulación permite optimizar el resultado. No permite optener la relación de reflujo mínima ni el número de platos mínimo. El modelo SCFRAC es más completo aunque sigue siendo un modelo simplificado, pues admite tantas corrientes de salida como se deseen y varias secciones en la columna o incluso alguna corriente de stripping por vapor. Su campo de trabajo es el de las unidades típicas de refinería desde un punto de vista no riguroso. Modelos rigurosos: RADFRAC, PETROFRAC, MULTIFRAC, BATCHSEP Y EXTRACT EXTRAC es un modelo exclusivo de extracción L‐L riguroso pero que no permite especificar aspectos de diseño de la columna. Pueden incorporarse varias alimentaciones y salidas laterales. Es el único modelo de esta operación unitaria del que dispone ASPEN PLUS. RADFRAC es el modelo riguroso de amplio espectro de ASPEN PLUS. Es lo suficientemente versátil como para cubrir la mayoría de casos y no sólo modeliza la operación de rectificación, y también es apto para stripping G‐L y Absorción G‐L. Adicionalmente es capaz de modelizar: ‐ Sistemas con tres fases (V‐L‐L). ‐ Sistemas con reacción ‐ Destilaciones extractivas y azeotrópicas. ‐ Sistemas con grandes desviaciones de la idealidad en fase líquida. ‐ Separar secciones de columnas como columnas individuales. RADFRAC puede manejar sólidos (incluyendo precipitación de sales) y agua y decantarla en el condensador. RADFRAC tiene dos niveles de complejidad: ‐ Rating mode: Puede calcular temperaturas, caudales y perfiles de fraccionamiento en la columna. Acepta eficiencias de vaporización y de Murphree. ‐ Design mode: El máximo nivel de complejidad. Se pueden especificar aspectos de diseño como el tipo de platos o empaquetamiento. Los otros modelos de operación en continuo MULTIFRAC y PETROFRAC son versiones que admiten más de una columna acoplada y diseñadas específicamente para aplicaciones conocidas (ver guía de ayuda sección: Help topics: Aspen plus reference, unit operation models reference). Por su parte BATCHSEP como su nombre indica es un modelo riguroso desarrollado para una unidad que funciona en modo discontinuo por cargas. Extracción de datos de equilibrio de sistemas binarios DIAGRAMA BINARIO Abrimos aspen en una sesión en blanco (blank simulation). 1º) Aspen necesita de que algún bloque esté definido para poder trabajar con los componentes. Lo más sencillo es un destilador tipo Flash2. Se coloca el bloque con las corrientes y nombres (L0, L y V). 2º) Definir las características: ‐ Poner título (flash binario) y definir unidades personalizadas en specifications (US‐1). ‐ Definir las unidades en unit sets (new). ‐ Activar en Report options en la pestaña stream la opción mole para fraction basis ‐ En componentes incluir los dos componentes (Agua y etanol). ‐ En properties seleccionar COMMON y IDEAL como método base de cálculo. ‐ En stream y en la ficha L0 rellenar 1 atm, 85ºC y 100 mol/hr con una composición 0,35 ETOH y 0,65 de Agua en mol‐frac. ‐ En blocks y en la ficha flash escribir 85ºC y 0,9 atm (flash isotermo) 3º) Correr una primera simulación para comprobar que todo está bien. (no errors no warnings) En estas condiciones no habrá evaporación (V=0) por lo que hay que bajar la presión o subir la temperatura. Probar con P= 0,8 atm. La descompresión producirá la evaporación. 4º) Si se quiere que los datos aparezcan en la hoja ir a resultados y pulsar Stream table. 5º) Para imprimir (todo: en el botón de la barra de herramientas; una parte: en view, page break preview y manipular ) o guardar... 6º) Analizar la sensibilidad del sistema ante las variables: P y T del flash, T y P de la entrada (TFLASH, PFLASH, TENT, PENT y valores objetivo XEtOH en V). Ir al Data browser a Model analisis tools. Crear un nuevo análisis llamado TFLASH y definir la función objetivo llamada PURETOH como (edit) como variable Mole‐Frac en V de ETOH. Ir a Vary y añadir como variable Block Var del bloque FLASH y TEMP. Se selecciona un rango entre 85 y 100ºC a intervalos de 0,5 grados. Por último en Tabulate se indica como columna 1 la variable PURETOH. También podemos definir CANTVAPO como Stream var, mole flow en V. (abrir el archivo terminado para que vean varias). En la carpeta azul de resultados Model Analysis tools se muestra la tabla en la que vemos que entre 85 y 88,5ºC se evapora una fracción molar de ETOH descendente. Podemos ver la evolución gráfica en el icono correspondiente. Este es un análisis preliminar. Se puede hacer lo mismo para la PFLASH. Flash binario etanol agua
85,00
0,8
Stream ID
L
From
FLASH
L0
FLASH
To
16,66
FLASH
Phase
1,00
V
LIQUID
LIQUID
VAPOR
Substream: MIXED
Mole Flow
V
85,00
mol/hr
AGUA
56.88849
65.00000
8.111512
ETANOL
26.44757
35.00000
8.552431
Mole Frac
AGUA
1,0
.6826395
ETANOL
100,00
0,00
L0
FLASH
.5132297
83.33606
100.0000
16.66394
Total Flow
kg/hr
2.243276
2.783410
.5401334
Total Flow
cum/sec
Temperature
C
85.00000
Pressure
atm
7.69228E-7 9.63124E-7 1.70044E-4
85.00000
85.00000
.8000000
1.000000
.8000000
0.0
0.0
1.000000
0,8
Liquid Frac
1.000000
1.000000
0.0
83,34
Solid Frac
0.0
0.0
0.0
Temperature (C)
0,00
Molar Flow Rate (mol/hr)
Vapor Fraction
.4867703
.3500000
mol/hr
Vapor Frac
85,00
Pressure (atm)
.6500000
.3173605
Total Flow
L
Enthalpy
J/kmol
-2.7744E+8 -2.7704E+8 -2.3515E+8
Enthalpy
J/kg
-1.0307E+7 -9.9534E+6 -7.2547E+6
Enthalpy
Watt
Entropy
J/kmol-K
-6422.428
-7695.682
-1088.477
-1.9885E+5 -2.0428E+5 -1.1989E+5
Entropy
J/kg-K
-7386.998
-7339.307
-3698.872
Density
kmol/cum
30.09369
28.84132
.0272216
Density
kg/cum
810.0749
802.7722
.8823435
26.91843
27.83410
32.41330
Average MW
Liq Vol 60F
cum/sec
7.12601E-7 8.91471E-7 1.78870E-7
7º) Cambiar de modelo termodinámico y comentar que es la parte más importante (mostrar la ayuda a la selección del modelo). Usar el modelo WILSON (gases ideales y ley de Henry y líquidos NO ideales, sin que se cumpla la ley de Raoult) y comprobar cómo se vaporiza todo. También pasa lo mismo con el modelo de NRTL. Comentar la importancia de elegir bien el modelo termodinámico (Ayuda en línea en Tools, Property method assistant. Para este caso se recomienda el ELECNRTL) . Volver al modelo ideal y correr la simulación. 8º). Ahora vamos a sacar los diagramas termodinámicos y de equilibrio de esta mezcla. Ir a Tools, Analysis, property y binary y elegir el tipo de análisis (Txy, Pxy y Gibbs) y las condiciones y darle a GO. Repetir el análisis cambiando el modelo a WILSON y discutir la diferencia. Genera el gráfico y una pestaña con la tabla de datos que podemos exportar al excel simplemente seleccionando las columnas y con copiar y pegar. Si le damos a plot wizard en la pestaña de datos podemos elegir más tipos de gráficos con estos datos. Generar Txy, YX, zoom YX, gamma (coef. actividad), KVL (coef. reparto), mover leyendas, Txy por rango de presiones. Pasar a modelizar Pxy, Pxy en funcion de T y Gibbs y Gibbs en función de T. Podemos añadir más de un componente a la misma gráfica con add to plot. Liquid Gamma
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Gamma for WATER/ETOH
WATER 1,0 atm
1,5
2,0
2,5
3,0
ETOH 1,0 atm
0,0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6
Liquid Molefrac WATER
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1,0
Consejo: pegar las gráficas como imagen para no tener problemas en excel. Hacer las modificaciones en Aspen (zoom , rangos, leyendas, etc...) con properties antes de pegar. 0,4
9º) Volvemos a poner el modelo IDEAL y simulamos. También podemos sacar propiedades concretas de los componentes puros en Tools, Analysis, Property y pure. Seleccionamos el análisis termodinámico, CP en J/Kmol K, ambos componentes en fase vapor y líquido, entre 0 y 500ºC. Se pueden exportar los datos numéricos o la representación. ¿Qué ocurre a 241 y 372ºC para cada uno? Se alcanza el punto crítico y no hay líquido posible. CP vs Temperature
0,35
VAPOR ETANOL
VAPOR AGUA
LIQUID ETANOL
0,05
0,1
0,15
CP kcal/mol-K
0,2
0,25
0,3
LIQUID AGUA
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0100,0110,0120,0130,0140,0150,0160,0170,0180,0190,0200,0210,0220,0230,0240,0250,0260,0270,0280,0290,0300,0310,0320,0330,0340,0350,0360,0370,0380,0390,0400,0410,0420,0430,0440,0450,0460,0470,0480,0490,0500,0
Temperature C
10º) Guardamos el archivo con el nombre Flash binario Etanol‐agua u otro similar en una nueva carpeta en nuestro pendrive. Extracción de datos de equilibrio de sistemas ternarios DIAGRAMA TERNARIO 1º) Hacemos un nuevo archivo del mismo tipo (incluso se puede aprovechar éste si se cambia el nombre y se cambian los datos de condiciones y componentes). 2º) Los nuevos componentes serán los del sistema ternario Aire: O2, N2 y Ar. Vamos a obtener el diagrama ternario de la curva de residuo. Composición molar del 0,205, 0,79 y 0,05 respectivamente y 100 mol/h de entrada a ‐200ºC y 1 atm. En el flash imponemos 2 atm y 185ºC bajo cero. El modelo termodinámico será IDEAL. Simular explicando la diferencia entre hacerlo desde cero o desde otra simulación. 3º) Se pueden hacer los mismos análisis de sensibilidad que antes para T y P del flash para ver como varían la fracción molar de N2, O2 y Ar en V (PUREN2, PUREO2, PUREAR). Variamos la presión entre 1,75 y 2,75 a intervalos de 0,1 atm y la temperatura entre ‐184 y ‐188 ºC a incrementos de 0,2 ºC. Se puede incluso localizar la zona de mayor separación O2‐Ar tabulando PUREAR/PUREO2. Como se ve sube la diferencia al subir la presión hasta 2,55 atm donde ya no hay separación. 4º) Para obtener los diagramas ternarios se va a tools, analysis, property y residue y se obtiene la curva de residuos que equivale a las mezclas que se pueden obtener en una destilación cerrada (batch cerrado) de la mezcla ternaria. Luego vamos a tools, conceptual design, ternary maps (clicar residue curve o distilation curve) y en el árbol de carpetas dar UNA SOLA VEZ a ternary plot. Se genera un plot y en él se pueden pintar las curvas que uno quiera. Con el cursor se tiene acceso a la información de cada punto en la esquina superior derecha. Hacer: Zoom, poner puntos, líneas, cambiar tipos de letras, colores. Se puede exportar o imprimir. Fla s h b in a r io Ai re (O 2 , N 2 y Ar )
-185,00
2,0
91,54
1,00
Str e a m ID
L
Fr o m
FL ASH
FL ASH
Ph a s e
L IQ U ID
L IQ U ID
VAPOR
Su b s tr e a m: MIXED
mo l /h r
O2
-200,00
1,0
100,00
0,00
V
FL ASH
To
Mo l e Flo w
V
L0
3 .8 3 7 8 3 0 2 0 .5 0 0 0 0 1 6 .6 6 2 1 7
N2
4 .5 4 9 0 5 6 7 9 .0 0 0 0 0 7 4 .4 5 0 9 4
AR
.0 7 2 1 9 3 4 .5 0 0 0 0 0 0 .4 2 7 8 0 6 5
Mo l e Fr a c
O2
.4 5 3 6 9 3 6 .2 0 5 0 0 0 0 .1 8 2 0 1 8 8
N2
.5 3 7 7 7 2 0 .7 9 0 0 0 0 0 .8 1 3 3 0 7 8
AR
To ta l Flo w
To ta l Flo w
L0
FLASH
Te mp e r a tu r e ( C )
-185,00
2,0
8,46
0,00
k g /h r
Mo l a r Flo w R a te (m o l/h r )
L
8 .4 5 9 0 7 9 1 0 0 .0 0 0 0 9 1 .5 4 0 9 2
.2 5 3 1 2 4 8 2 .8 8 9 0 1 4 2 .6 3 5 8 9 0
To ta l Flo w
c u m/s e c7 .6 6 2 9 2 E- 88 .9 7 9 3 7 E- 79 .1 9 6 3 6 E- 5
Te mp e r a tu r e
C
Pr e s s u re
a tm
Va p o r Fr a c
- 1 8 5 .0 0 0 0 - 2 0 0 .0 0 0 0 - 1 8 5 .0 0 0 0
2 .0 0 0 0 0 0 1 .0 0 0 0 0 0 2 .0 0 0 0 0 0
0 .0
L iq u i d Fr a c
0 .0 1 .0 0 0 0 0 0
1 .0 0 0 0 0 0 1 .0 0 0 0 0 0
So li d Fr a c
Pr e s s u re (a tm)
Va p o r Fr a c tio n
8 .5 3 4 4 4 E- 35 .0 0 0 0 0 E- 34 .6 7 3 3 9 E- 3
mo l /h r
0 .0
0 .0
0 .0
0 .0
En th a l p y
J /k m o l - 1 .2 0 2 2 E+7- 1 .2 5 8 4 E+7- 6 .1 0 6 1 E+6
En th a l p y
J /k g
- 4 .0 1 7 6 E+5- 4 .3 5 5 9 E+5- 2 .1 2 0 6 E+5
En th a l p y
W a tt
- 2 8 .2 4 8 9 3 - 3 4 9 .5 5 9 8 - 1 5 5 .2 6 6 7
En tr o p y
J /k m o l- K- 1 .0 0 5 9 E+5- 1 .1 1 6 4 E+5 - 3 7 0 0 6 .0 1
En tr o p y
J /k g - K
D e n s i ty
k mo l /c u m 3 0 .6 6 3 8 2 3 0 .9 3 5 1 2 .2 7 6 5 0 1 2
D e n s i ty
k g /c u m
Av e r a g e MW
L iq Vo l 6 0 F
- 3 3 6 1 .6 5 1 - 3 8 6 4 .1 3 0 - 1 2 8 5 .1 6 9
9 1 7 .5 6 7 4 8 9 3 .7 2 0 0 7 .9 6 1 7 5 8
2 9 .9 2 3 4 5 2 8 .8 9 0 1 4 2 8 .7 9 4 6 6
c u m/s e c1 .2 5 8 4 7 E- 71 .4 8 7 7 2 E- 61 .3 6 1 8 7 E- 6
5º) En conceptual design, ternary maps también se puede comprobar si hay azeótropos (report). No aparecen porque obviamente si el método es ideal no puede haber azeótropos. Mezcla multicomponentes y azeótropos INFORMACIÓN EN MEZCLAS MULTICOMPONENTE 1º) Ahora tenemos una mezcla ternaria no ideal en el líquido de 2‐etoxietanol, n‐octano y etilbenceno. Usaremos el modelo de UNIQUAC (ideal sólo en el gas). Introducimos los componentes en una proporción de 0,2; 0,55 y 0,25 a 100ºC y 5 atm. En la unidad flash consignaremos 117ºC y 0,9 atm. Fla s h TERN AR IO N O IDEAL
117,00
0,9
10,10
1,00
Str e a m ID
L
Fr o m
FL ASH
L0
V
FL ASH
To
FL ASH
Ph a s e
L IQ U ID
L IQ U ID
VAPOR
Su b s tr e a m: MIXED
Mo l e Flo w
V
100,00
5,0
mo l/h r
OCTAN O
4 9 ,6 6 6 1 5
5 5 ,0 0 0 0 0
5 ,3 3 3 8 5 4
ETBENC EN
2 3 ,1 8 6 3 6
2 5 ,0 0 0 0 0
1 ,8 1 3 6 3 8
2 -ETETO H
1 7 ,0 5 1 3 8
2 0 ,0 0 0 0 0
2 ,9 4 8 6 1 9
,5 5 2 4 3 6 0
,5 5 0 0 0 0 0
,5 2 8 3 0 7 8
,2 5 7 9 0 1 7
,2 5 0 0 0 0 0
Mo l e Fr a c
100,00
OCTAN O
ETBENC EN
0,00
2 -ETETO H
L0
FLASH
117,00
0,9
89,90
Te mp e r a tu r e ( C )
0,00
Pr e s s u re (a tm)
Va p o r Fr a c tio n
,2 0 0 0 0 0 0
,2 9 2 0 5 4 9
mo l /h r
8 9 ,9 0 3 8 9
1 0 0 ,0 0 0 0
1 0 ,0 9 6 1 1
To ta l Flo w
k g /h r
9 ,6 7 1 7 5 3
1 0 ,7 3 9 3 3
1 ,0 6 7 5 7 6
To ta l Flo w
c u m/s e c
Te mp e r a tu r e
C
1 1 7 ,0 0 0 0
Pr e s s u re
a tm
L
3 ,9 4 3 4 1 E- 6 4 ,2 6 9 3 7 E- 6 9 ,9 7 5 8 8 E- 5
1 0 0 ,0 0 0 0
1 1 7 ,0 0 0 0
,9 0 0 0 0 0 0
5 ,0 0 0 0 0 0
,9 0 0 0 0 0 0
Va p o r Fr a c
0 ,0
0 ,0
1 ,0 0 0 0 0 0
L iq u i d Fr a c
1 ,0 0 0 0 0 0
1 ,0 0 0 0 0 0
0 ,0
0 ,0
0 ,0
0 ,0
So li d Fr a c
Mo l a r Flo w Ra te (m o l/h r )
,1 7 9 6 3 7 3
,1 8 9 6 6 2 3
To ta l Flo w
En th a l p y
J /k m o l
- 2 ,0 2 6 5 E+8 - 2 ,1 1 2 8 E+8 - 2 ,0 5 3 5 E+8
En th a l p y
J /k g
- 1 ,8 8 3 7 E+6 - 1 ,9 6 7 3 E+6 - 1 ,9 4 2 0 E+6
En th a l p y
W a tt
En tr o p y
J /k m o l- K
- 5 0 6 0 ,7 4 9
- 5 8 6 8 ,8 9 1
- 5 7 5 ,9 0 1 6
- 6 ,2 9 2 3 E+5 - 6 ,4 2 1 1 E+5 - 5 ,4 3 1 8 E+5
En tr o p y
J /k g - K
- 5 8 4 9 ,0 5 4
- 5 9 7 9 ,0 4 3
- 5 1 3 6 ,8 6 3
De n s i ty
k mo l /c u m
6 ,3 3 2 9 1 8
6 ,5 0 6 2 9 3
,0 2 8 1 1 2 5
De n s i ty
k g /c u m
6 8 1 ,2 8 7 8
6 9 8 ,7 3 2 3
2 ,9 7 2 6 5 9
1 0 7 ,5 7 8 8
1 0 7 ,3 9 3 3
1 0 5 ,7 4 1 3
Av e r a g e MW
L iq Vo l 6 0 F
c u m/s e c
3 ,4 8 2 5 6 E- 6 3 ,8 6 3 8 4 E- 6 3 ,8 1 2 7 5 E- 7
2º) En estas condiciones conseguimos una separación bastante mala de los componentes. Habría que seguir probando hasta mejorarla. Se puede hacer el análisis de sensibilidad de la composición de V (XOCTANO, XETILBEN y XETETOH) la temperatura y la presión de la unidad flash (TFLASH y PFLASH entre 116,8 a 119,4 y 0,84 a 0,91 a intervalos de respectivamente de 0,1 ºC y 0,005 atm) para localizar los mejores valores. Pero antes es mejor hacer un análisis de azeótropos. 3º) En el menú tools, conceptual desing, azeotropos search, se seleccionan los tres componentes y se le dá a report. Aparecen dos azeótropos. Uno inestable y otro de silla. 4º) Ahora cambiaremos al sistema cloroformo, acetona y metanol (V‐L‐L) vamos a ver un azeótropo ternario. Usaremos de nuevo el modelo UNIQUAC. Introducimos los componentes en una proporción de 0,4; 0,3 y 0,3 molar a 100ºC y 1 atm. En la unidad flash consignaremos 52ºC y 0,8 atm. 5º) See puede tam
mbién repetirr el análisis dde sensibilid
dad, y se verá
á que es com
mplicado y con un marggen muy estrrecho de pre
esión y tempperatura en el flash (PFLASH y TFLA
ASH 0,5‐1,5 atm y 323‐3328 K con in
ntervalos de
e 0,05 y 0.11 respectivam
mente) para
a calcular el caudal de vapor (VAPO
OR). Pero lo interesante ahora es verr los azeótro
opos de la me
ezcla. Primerro iremos a vver las curvaas de residuo
o de la mezccla ternaria. Hacernos clic en tools, a
analysis, prooperty y resid
dues y sin caambiar nada clicamos Go
o. Ya se obseerva que hayy varias regio
ones diferennciadas y una
a zona centrral que debe albergar "allgo". Si cambbiamos el an
nálisis y lo repetimos a 2 y 5 atm, verremos como
o esa zona "m
migra" hacia la zona de m
mayor purezaa del metano
ol. 6º) H
Haremos aho
ora el análisis de azeótrropos: tools, conceptual desing, azeeotropos sea
arch, y salen
n 4 azeótrop
pos: tres bin
narios y unoo de los ternario muy cerca de laa zona en la
a que empeezamos a trrabajar. Con
nviene por lo tanto haacer un análisis previo antes de probar p
condiciones. Fla s h TER N AR IO AC ETON A C L O ROFO R MO AGU A
52,00
0,8
63,85
Str e a m ID
L
Fr o m
FL ASH
L0
FL ASH
Ph a s e
1,00
V
FL ASH
To
L IQ U ID
VAPOR
VAPOR
Su b s tr e a m: MIXED
Mo l e Flo w
V
100,00
1,0
mo l /h r
AC ETON A
1 1 .9 6 3 2 1
3 0 .0 0 0 0 0
1 8 .0 3 6 7 9
C L OR OFOR
1 5 .3 7 6 0 1
4 0 .0 0 0 0 0
2 4 .6 2 3 9 9
MEOH
8 .8 1 1 3 7 7
3 0 .0 0 0 0 0
2 1 .1 8 8 6 2
.3 3 0 9 2 7 1
.3 0 0 0 0 0 0
.2 8 2 4 8 9 5
.4 2 5 3 3 2 0
.4 0 0 0 0 0 0
Mo l e Fr a c
100,00
AC ETON A
C L OR OFOR
1,00
MEOH
To ta l Flo w
L0
To ta l Flo w
FLASH
52, 00
0,8
36, 15
Te mp e r a tu r e ( C )
0,00
Pr e s s u re (a tm)
mo l /h r
k g /h r
Va p o r Fr a c tio n
L
.3 0 0 0 0 0 0
.3 3 1 8 5 3 1
3 6 .1 5 0 6 0
1 0 0 .0 0 0 0
6 3 .8 4 9 4 0
2 .8 1 2 7 0 2
7 .4 7 8 7 4 8
4 .6 6 6 0 4 6
To ta l Flo w
c u m/s e c
Te mp e r a tu r e
C
5 2 .0 0 0 0 0
1 0 0 .0 0 0 0
5 2 .0 0 0 0 0
Pr e s s u re
7 .0 7 2 7 1 E- 7 8 .5 0 5 3 4 E- 4 5 .9 1 5 0 6 E- 4
a tm
.8 0 0 0 0 0 0
1 .0 0 0 0 0 0
.8 0 0 0 0 0 0
Va p o r Fr a c
0 .0
1 .0 0 0 0 0 0
1 .0 0 0 0 0 0
L iq u i d Fr a c
1 .0 0 0 0 0 0
0 .0
0 .0
0 .0
0 .0
0 .0
So li d Fr a c
Mo la r Flo w R a te (m o l/h r )
.3 8 5 6 5 7 4
.2 4 3 7 4 0 8
En th a l p y
J /k m o l
- 1 .9 4 3 9 E+8 - 1 .6 1 2 1 E+8 - 1 .6 5 6 1 E+8
En th a l p y
J /k g
- 2 .4 9 8 4 E+6 - 2 .1 5 5 5 E+6 - 2 .2 6 6 2 E+6
En th a l p y
W a tt
En tr o p y
J /k m o l- K
En tr o p y
J /k g - K
D e n s i ty
k mo l /c u m
1 4 .1 9 7 9 9
.0 3 2 6 5 9 2
.0 2 9 9 8 4 4
D e n s i ty
k g /c u m
1 1 0 4 .6 7 7
2 .4 4 2 5 0 1
2 .1 9 1 2 2 9
7 7 .8 0 5 1 2
7 4 .7 8 7 4 8
7 3 .0 7 8 9 3
Av e r a g e MW
L iq Vo l 6 0 F
c u m/s e c
- 1 9 5 2 .0 1 7
- 4 4 7 7 .9 8 5
- 2 9 3 7 .3 2 1
- 2 .3 1 7 5 E+5 - 1 .2 3 8 5 E+5 - 1 .3 0 1 0 E+5
- 2 9 7 8 .5 4 8
- 1 6 5 6 .0 4 9
- 1 7 8 0 .2 1 7
6 .8 8 4 6 6 E- 7 1 .8 4 7 2 5 E- 6 1 .1 5 8 7 9 E- 6
Temp (C) Classification Type ACETONA CLOROFOR MEOH 64,61 57,46 55,24 Stable node Saddle Unstable Node Unstable Node No. Comp. Homogeneous 2 Homogeneous 3 Homogeneous 2 0,3409 0,3110 0,7774 0,6591 0,2517 0,0000 0,0000 0,4372 0,2226 Homogeneous 2 0,0000 0,6726 0,3274 54,09 Ternary Map (Mole Basis)
0.7
0.8
0.9
CLOROFOR (61,10 C)
54,09 C
0.3
0.4
0.5
0.6
64,61 C
0.1
0.2
57,46 C
MEOH
(64,53 C)
55,24 C
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
ACETONA
(56,14 C)
A TENER EN CUENTA: OJO: Elegir bien el modelo: tutorial en tools property method selection assistant. En la ayuda: buscar en el índice property methods,available property methods y clicar el enlace Aspen User Guide Chapter 7. Ahí tenemos toda la información relevante. 7º) ADEMÁS TENEMOS LA BASE DE DATOS DE NIST‐TDE PARA COMPONENTES. Extracción de datos de componentes puros. Probar con el cloroformo. 8º) Otra información útil que se puede extraer es la referente a las mezcla de las corrientes del sistema. Seleccionamos la corriente de vapor V y en tools, analysis, stream y point y se obtienen propiedades termodinámicas y de transporte. También se puede seleccionar un análisis de curva T‐V entre 51,5 y 52,5 ºC para 100 puntos. Total Vfrac
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0
TV Curve Stream: V
51,5
Total Vfra
51,55
51,6
51,65
51,7
51,75
51,8
51,85
51,9
51,95
52,0 52,05
Temperature C
52,1
52,15
52,2
52,25
52,3
52,35
52,4
52,45
9º) Podemos ampliar la información de la tabla de corrientes con cualquier propiedad que queramos definiéndola en Prop set dentro de Properties en el data browser. Creamos REO‐L (para hacer referencia a características reológicas de la corriente L) y adjuntamos la densidad (rhomx) y la viscosidad (mumx) de la mezcla. En la pestaña de Qualifiers, seleccionamos la fase líquida. Luego vamos a set up, report options, stream y añadimos Prop Set REO‐L. Y le damos a simular y nos aparecerán estos datos en la tabla de corrientes. 52,5
Obtención del pu
unto de rocío
o y de burbujja de una me
ezcla multico
omponente 1º) A
Ahora partireemos de la mezcla etanno, propano
o, n‐butano, n‐pentano y n‐hexano
o para deterrminar sus puntos de roccío y burbujaa. Configurarremos el sisttema con unna entrada de
e 1,72 MPa y un flujo total de 51 mol/h quue se reparrte en 1,5, 10, 18,5, 117,5 y 3,5 mol/h ente personaalizar las unid
dades (dejam
mos P en atm
m). respeectivamente.. Es convenie
El mo
odelo termo
odinámico se
erá el IDEAL y las condicciones del FLLASH será dee 1,72 MPa. Si no camb
biamos ningu
una variable
e respecto aa la entrada (T y P) no habrá cambbios en la mezcla. m
Vamo
os a poner taanto en la alimentación (L0) como en
n el equipo fflash una fra cción de vap
por de 0. Estto nos dará eel punto de b
burbuja. Simulamos y vam
mos a resulta
ados del bloqque FLASH o
obtenemos 8
89,24ºC adem
más en la pe
estaña m encontram
mos el repart o entre fase
es de los com
mponentes y las constanttes de phasee equilibrium
volatilidad (Ki). Sii cambiamoss la fracción de vapor a 1
1 (todo vapor) podremoss calcular el punto ocío del mism
mo modo y re
esulta de 1333,14ºC. de ro
2º) Podemos lllevar el sisstema a uun punto intermedio entre ambbas tempera
aturas (110ººC)sustituyen
ndo el dato d
de fracción dde vapor. En
n ese caso se obtiene en los resultados del Flash lo que siguee, y obtenem
mos el dato dde la fracción
n de vapor y e
el calor neceesario. 3º) Hacemos un análisis de sensibilidad en el que definamos como variables objetivo XC2, XC3, XC4, XC5 y XC6 como la fracción molar (mole‐Frac) de cada componente en la corriente V. Tabulamos sus valores y variamos la presión en el Flash (PFLASH) entre 10 y 20 atm a intervalos de 0,5 atm y simulamos. 0,07
0,3
0,345
0,065
0,06
0,32
0,295
0,055
0,05
0,27
0,045
XC6
0,04
XC5
XC6
0,035
XC5
0,245
XC4
0,03
0,22
XC3
0,025
0,195
XC2
0,02
0,17
Sensitivity Results Curve
0,015
0,145
0,12
XC4
0,335 0,34 0,345 0,35 0,355 0,36 0,365 0,37 0,375 0,38 0,385 0,39 0,395
0,11
0,1
0,38
0,355
0,09
0,08
0,33
XC3
0,305
XC2
0,07
0,06
0,28
0,255
0,05
0,04
0,23
0,205
0,18
0,03
0,405
0,4
0,4
Buscamos con ello, por ejemplo, cual es la mayor concentración de butano que podemos tener en el vapor (la obtenemos sobre 14 atm como se ve en la siguiente gráfica) o la presión a la que c3 pasa a ser mayoritario (17 atm). 10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
VARY 1 FLASH PARAM PRES ATM
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
Ahora desactivamos el análisis de sensibilidad y volvemos al caso bajamos la presión a 12 atm en el Flash y ponemos la temperatura tanto en la corriente de L0 como en el flash a 110ºC. En principio está en forma de vapor un 83,57% de la entrada como vapor en V (resultados en el flash). Sis te ma C 2 -n C 6
110, 00
12, 0
42, 62
Str e a m ID
L
Fr o m
FL ASH
V
110,00
12,0
V
FL ASH
FLASH
Ph a s e
L IQ U ID
MIXED
VAPOR
Su b s tr e a m: MIXED
Mo l e Flo w
1, 00
L0
To
mo l /h r
C2
.0 20 8 2 9 3
1 .5 0 0 0 0 0
1 .4 79 1 7 2
C3
.4 34 8 1 7 2
1 0.0 0 0 0 0
9 .5 65 1 8 9
NC4
2 .11 7 3 8 5
1 8.5 0 0 0 0
1 6 .38 2 6 2
NC5
4 .28 7 5 9 1
1 7.5 0 0 0 0
1 3 .21 2 4 0
NC6
1 .51 6 2 6 1
3 .5 0 0 0 0 0
1 .9 83 7 3 4
2 .4 8 6 5 3 E- 3
.0 2 9 4 1 1 7
.0 3 47 0 3 5
Mo l e Fr a c
51,00
C2
0,84
C3
.0 51 9 0 6 8
.1 9 6 0 7 8 4
.2 2 44 1 3 2
NC4
.2 52 7 6 5 2
.3 6 2 7 4 5 1
.3 8 43 6 0 0
NC5
.5 11 8 3 6 0
.3 4 3 1 3 7 3
.3 0 99 8 2 1
NC6
L0
FLASH
.1 81 0 0 5 4
.0 6 8 6 2 7 4
.0 4 65 4 1 2
110, 00
To ta l Flo w
mo l /h r
8 .37 6 8 8 4
5 1.0 0 0 0 0
4 2 .62 3 1 2
12,0
To ta l Flo w
k g /h r
.5 82 8 8 7 8
3 .1 2 5 6 0 3
8,38
0,00
2 .5 42 7 1 4
To ta l Flo w
c u m/s ec 3 .1 6 5 9 7 E- 7 3 .1 33 6 5 E- 5 3 .1 0 1 9 9 E- 5
Te mp er a tu r e
C
1 1 0 .0 0 0 0
1 10 .0 0 0 0
1 1 0 .0 0 0 0
Pr e s s ure
atm
1 2 .0 0 0 0 0
1 2.0 0 0 0 0
1 2 .00 0 0 0
Pr e s s u re (a tm)
Va p o r Fr a c
0 .0
.8 3 5 7 4 7 4
1 .0 00 0 0 0
Mo l a r Flo w R a te (m o l/h r )
Liq u i d Fr a c
1 .00 0 0 0 0
.1 6 4 2 5 2 6
0 .0
0 .0
0.0
0 .0
Te mpe r a tu r e ( C )
Va p o r Fr a c tio n
L
So li d Fr a c
En th a l py
J /k m o l
- 1 .50 3 6 E+8 - 1 .2 3 7 9 E+8 - 1 .1 85 6 E+8
En th a l py
J /k g
- 2 .16 0 9 E+6 - 2 .0 1 9 8 E+6 - 1 .9 87 4 E+6
En th a l py
W a tt
En tr o p y
J /k m o l- K - 4 .69 5 6 E+5 - 3 .7 6 7 0 E+5 - 3 .5 84 5 E+5
En tr o p y
J /k g - K
D e n s i ty
k mo l /c u m
D e n s i ty
k g /c u m
Av e r a ge MW
Liq Vo l 6 0 F
- 3 49 .8 7 8 2 - 1 7 5 3 .6 2 0 - 1 4 03 .7 4 2
- 6 74 8 .1 8 6 - 6 1 4 6 .5 8 6 - 6 0 08 .6 7 7
7 .34 9 7 6 5
.4 5 2 0 8 1 5
.3 8 16 8 2 1
5 1 1 .4 1 8 0
2 7.7 0 6 4 1
2 2 .76 9 5 3
6 9 .5 8 2 9 0
6 1.2 8 6 3 2
5 9 .65 5 7 6
c u m/s ec 2 .6 1 0 4 7 E- 7 1 .4 73 7 3 E- 6 1 .2 1 2 6 8 E- 6
3º) El trabajo de ir probando valores o de analizar la sensibilidad es útil al principio, pero cuando los sistemas son complejos es mejor optar por fijar una condición y dejar que la simulación encuentre cómo obtenerla. Desactivamos el análisis de sensibilidad y si vamos a Flowsheet options dentro de Design specification podemos crear un análisis de especificación (XC5), que será que queremos que la fracción molar de c5 sea 0,25 con una tolerancia de 0,05 (Spec XC5, Target 0,25, tolerance 0,05) y variaremos para ello la presión en el flash (entre 11 y 24) y simulamos. Si se va resultados summary convergence, o en los resultados en el bloque flash, se obtiene XC5=0,2501 a una de 14,065 atm. Incluso en convergence solver historic podemos ver la iteraciones y observar que no hay nada raro. DESTILACIÓN TIPO FLASH ADIABÁTICA E ISOTERMA 1º) Construir un destilador flash con la mezcla de 100 mol/h de propano, n‐butano, n‐pentano y n‐hexano en proporciones 10%, 20%, 30% y 40% respectivamente que entra a una presión de 8,25 atm y 65,5ºC en una unidad flash que trabaja a 93,5ºC y 7 atm. Aunque puede que no sea el más adecuado, vamos a imponer e modelo IDEAL. Simulamos y vemos los resultados en la unidad FLASH. La partición de c4 y c5 (expresada como K) es mejorable en estas condiciones. 0,32
XC3
XC4
XC5
0,3
0,4
0,325
0,275
XC6
0,225
0,175
0,28
0,26
XC5
0,24
0,22
0,2
0,18
XC6
0,125
0,32
0,35
0,3
0,3
0,28
XC3
0,25
XC4
0,26
0,2
0,24
0,15
0,22
0,1
0,2
Sensitivity Results Curve
0,375
0,34
Creamos un análisis de sensibilidad PFLASH con las fracciones molares XC3 a XC6 y lo hacemos variar respecto a la presión del Flash (3‐10 atm a intervalos de 0,5 atm) y simulamos. El análisis de sensibilidad indiaca que a partir de 8,5 atm ya no hay vapor y por debajo de 3,5 todo es vapor. Además el gráfico de los resultados permite definir las mejores zonas para enriquecer el vapor en c5 (4‐4,5 atm) o c4 (6,5‐7 atm). 3,0 3,25 3,5 3,75 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 5,25 5,5 5,75 6,0 6,25 6,5 6,75 7,0 7,25 7,5 7,75 8,0 8,25 8,5 8,75 9,0 9,25 9,5 9,75 10,0
VARY 1 FLASH PARAM PRES ATM
Si entramos en resultados de la unidad flash indica el intercambio calorífico necesario para mantener la isotermicidad es de 250,78 W. Fla s h Is o té r mi c o C 3 - n C 6
93,50
7,0
17,29
Str e a m ID
L
Fr o m
FL ASH
V
65,50
V
FL ASH
FL ASH
Ph a s e
L IQ U ID
L IQ U ID
VAPOR
Su b s tr e a m: MIXED
Mo l e Flo w
1,00
L0
To
mo l/h r
C3
4 .5 9 7 3 6 4
1 0 .0 0 0 0 0
5 .4 0 2 6 3 6
NC4
1 4 .3 2 7 0 2
2 0 .0 0 0 0 0
5 .6 7 2 9 7 7
NC5
2 6 .0 7 9 5 1
3 0 .0 0 0 0 0
3 .9 2 0 4 8 6
NC6
2 .2 9 2 5 5 7
3 7 .7 0 7 4 4
4 0 .0 0 0 0 0
C3
.0 5 5 5 8 3 2
.1 0 0 0 0 0 0
.3 1 2 4 9 6 0
NC4
.1 7 3 2 1 7 1
.2 0 0 0 0 0 0
.3 2 8 1 3 2 9
NC5
.3 1 5 3 0 7 6
.3 0 0 0 0 0 0
.2 2 6 7 6 6 4
Mo l e Fr a c
8,2
100,00
0,00
NC6
L0
FLASH
93,50
7,0
82,71
Te mp e r a tu r e ( C)
0,00
.4 0 0 0 0 0 0
.1 3 2 6 0 4 7
mo l/h r
8 2 .7 1 1 3 4
1 0 0 .0 0 0 0
1 7 .2 8 8 6 6
To ta l Flo w
k g /h r
6 .1 6 6 6 2 8
7 .2 1 5 0 2 8
1 .0 4 8 4 0 0
To ta l Flo w
c u m/s e c 3 .0 9 9 7 2 E- 6 3 .4 7 1 4 2 E- 6 2 .0 6 4 0 6 E- 5
Te mp e r a tu r e
C
9 3 .5 0 0 0 0
Pr e s s u re
a tm
6 5 .5 0 0 0 0
9 3 .5 0 0 0 0
7 .0 0 0 0 0 0
8 .2 5 0 0 0 0
7 .0 0 0 0 0 0
Va p o r Fr a c
0 .0
0 .0
1 .0 0 0 0 0 0
L iq u id Fr a c
1 .0 0 0 0 0 0
1 .0 0 0 0 0 0
0 .0
0 .0
0 .0
0 .0
So li d Fr a c
Pr e s s u re (a tm)
Mo la r Flo w Ra te (m o l/h r )
Va p o r Fr a c tio n
.4 5 5 8 9 2 0
To ta l Flo w
L
En th a l p y
J /k m o l
- 1 .6 2 8 7 E+8 - 1 .6 4 8 1 E+8 - 1 .2 1 8 4 E+8
En th a l p y
J /k g
- 2 .1 8 4 6 E+6 - 2 .2 8 4 2 E+6 - 2 .0 0 9 1 E+6
En th a l p y
W a tt
En tr o p y
J /k m o l- K - 5 .1 4 4 1 E+5 - 5 .1 3 2 7 E+5 - 3 .6 5 6 5 E+5
En tr o p y
J /k g - K
D e n s i ty
k mo l /c u m
7 .4 1 2 0 7 1
8 .0 0 1 8 4 4
.2 3 2 6 6 7 5
D e n s i ty
k g /c u m
5 5 2 .6 1 4 4
5 7 7 .3 3 5 3
1 4 .1 0 9 1 8
7 4 .5 5 6 0 1
7 2 .1 5 0 2 8
6 0 .6 4 0 9 4
Av e r a g e MW
L iq Vo l 6 0 F
- 3 7 4 2 .1 0 3 - 4 5 7 7 .9 8 7
- 6 8 9 9 .6 0 5 - 7 1 1 3 .9 2 1
- 5 8 5 .1 0 1 4
- 6 0 2 9 .8 2 6
c u m/s e c 2 .7 0 1 9 3 E- 6 3 .1 9 7 5 9 E- 6 4 .9 5 6 6 4 E- 7
2º) Si queremos que este sistema funcione de modo adiabático sólo hay que cambiar un par de cosas. Primero colocar una válvula adiabática (en la sección de pressure charger) antes del flash para bajar la presión hasta las 7 atmósferas. Sino no será justificable el cambio de presión entre la corriente de entrada y el flash. Segundo seleccionar la condición de heat duty =0 en el flash para que sea adiabático y mantener 7 atm de presión. Hay que poner la temperatura de la entrada a 65,5ºC. Simulamos y vemos los resultados de las corrientes en el resumen (summary, stream) y vemos que no hay vapor (V=0). Si vamos al bloque de resultados del flash veremos que la temperatura es 65,5ºC pues al no haber intercambio de calor mantiene la de la entrada y la bajada de presión por sí no es suficiente para que se evapore la mezcla, luego hay que subir la temperatura de la alimentación o bajar la presión. ¿cuánto? VAPOR MOL/HR
5,0 10,015,020,025,030,035,040,045,050,055,060,065,070,075,080,085,090,095,0100,0
Modificaremos la temperatura con un análisis de sensibilidad de la cantidad de vapor (VAPOR) TALIMEN entre 65 y 150ºC a intervalos de 5ºC y veremos su efecto sobre el caudal de vapor (stream, V, mole flow). En los resultados de la simulación veremos como el vapor no aparece hasta más de 80ºC y es máximo a menos de 130ºC. Afinamos realizando de nuevo el análisis de sensibilidad entre 80 y 130ºC pero a intervalos de 1ºC. A esa presión (7 atm) el intervalo podría estar entre 81‐128ºC. Trabajar con un adiabático nos impone fijar una temperatura de entrada en un dispositivo externo (válvula). 65,0
Sensitivity Results Curve
VAPOR MOL/HR
70,0
75,0
80,0
85,0
90,0
95,0
100,0
VARY 1 L0 MIXED TEMPERAT URE C
105,0
110,0
115,0
120,0
125,0
130,0
Flash Isotérmico C3-nC6
109,27
7,0
52,86
Stream ID
L
From
FLASH
V
115,00
109,27
8,2
7,0
100,00
100,00
0,47
I
FLASH
LIQUID
MIXED
VAPOR
Substream: MIXED
mol/hr
C3
1.085332
10.00000
8.914668
NC4
5.149754
20.00000
14.85025
NC5
13.97763
30.00000
16.02237
NC6
26.92306
40.00000
13.07694
Mole Frac
0,53
L0
V
VALVE
Phase
Mole Flow
1,00
L0
To
C3
.0230256
.1000000
.1686333
NC4
.1092536
.2000000
.2809129
NC5
.2965397
.3000000
.3030854
NC6
FLASH
109,27
7,0
VALVE
47,14
0,00
Temperature (C)
.5711810
.4000000
.2473684
Total Flow
mol/hr
47.13577
100.0000
52.86423
Total Flow
kg/hr
3.675823
7.215028
3.539205
Total Flow
cum/sec
Temperature
C
109.2651
Pressure
atm
115.0000
109.2651
7.000000
8.250000
7.000000
Vapor Frac
0.0
.4724184
1.000000
Liquid Frac
1.000000
.5275816
0.0
0.0
0.0
0.0
Solid Frac
Pressure (atm)
Molar Flow Rate (mol/hr)
L
Vapor Fraction
1.87375E-6 5.27807E-5 6.58275E-5
Enthalpy
J/kmol
-1.6519E+8 -1.4569E+8 -1.2830E+8
Enthalpy
J/kg
-2.1183E+6 -2.0192E+6 -1.9163E+6
Enthalpy
Watt
Entropy
J/kmol-K
Entropy
J/kg-K
Density
Density
-4046.917
-1883.986
-6806.497
-6416.203
-5988.534
kmol/cum
6.987722
.5262870
.2230757
kg/cum
544.9286
37.97175
14.93469
77.98372
72.15028
66.94896
Average MW
Liq Vol 60F
-2162.906
-5.3080E+5 -4.6293E+5 -4.0093E+5
cum/sec
1.58739E-6 3.19759E-6 1.61020E-6
HOMEWORK: 1º) Averiguar usando destiladores tipo flash isotérmicos qué rango de condiciones de presión y temperatura permite separar el 85% del benceno en el vapor de una mezcla benceno‐tolueno en proporción molar 1:5. Dibujar "plots" de sensibilidad. 2º) Obtener el diagrama ternario de la mezcla nc5‐nc6‐nc7 a 15 atm usando el método PENG‐
ROBINSON. 3º) Obtener los puntos de rocío y de burbuja a 7,2 atm de una mezcla equimolecular de NH3 y agua usando el modelo WILSON. 4º) Obtener el diagrama ternario con azeótropos de la mezcla equimolar MeOH‐Acetona‐
hexano. SESIÓN 3 Objetivo Utilizar los modelos simplificados de rectificación del ASPEN PLUS. Resolver problemas tipo: ‐ Estimación del NPT mínimo a partir del BM resuelto de una columna en una mezcla binaria o asimilable a tal por el modelo WUG (clave ligera‐clave pesada) que es modificación del FUG. ‐ Optimización del número de etapas y de la posición del plato de alimentación. Representación de la relación NPT vs L/D y datos de T, P y fracción de vapor en cada corriente y en el calderín y condensador. ‐ Calcular la altura equivalente de plato teórico en caso de utilizar una columna empacada. MODELO DSTWU El modelo DSTWU es un modelo simplificado de caja negra que se utiliza en columna única. El modelo DSTWU opera bajo el método de cálculo de fracción ligera y fracción pesada de Winn‐Underwood‐Gilligand (Winn es una mejora de la ecuación de Fenske´s) por lo que es válido no sólo para mezclas binarias, sino para mezclas que se asemejan en su comportamiento a una mezcla binaria como es el caso de considerar grupos de componentes de clave ligera y pesada. El modelo resuelve la columna bajo la premisa de imponer la condición de reflujo total para obtener el número de platos teóricos mínimos. Después calcula el valor de reflujo mínimo y posteriormente el número de platos óptimo y el reflujo que le corresponde (se verá en clase de teoría). Adicionalmente a tener resuelto de antemano el balance macroscópico de materia de la columna (F, D, W y XF, XD y XW) el modelo necesita un par de datos más: presión en condensador y calderín y, por otra parte, un dato para comenzar la optimización (NPT o relación de reflujo inicial). Es la mejor opción para mezclas binarias o asimilables a binarias (clave ligera‐clave pesada) donde sólo se pretenda optimizar el rendimiento de destilación en base al número de platos y la relación de reflujo. Permite optimizar la colocación del plato de alimentación y calcular los requerimientos de calor en el condensador y el calderín. Su campo de aplicación es el refino y optimización de la solución obtenida por métodos aproximados como el McCabe‐Thiele y Sorel‐Lewis. Puede generar diagramas y tablas L/V vs NPT. Permiten incorporar una separación de agua en el condensador de cabeza y realizar cálculos free‐water. ‐ Limitaciones: Sólo admite una alimentación y dos corrientes de salida (cabeza y cola) aunque el condensador de cabeza puede ser total o parcial. Sólo admite dos componentes o grupos de componentes asimilables a componentes individuales. 1º) Vamos a realizar una separación binaria clásica etanol‐agua por debajo del azeótropo (para evitar tener que usar un modelo más complejo). Partiremos de una mezcla de 100 mol/h con un 20% en moles de EtOH a 83,16ºC y en forma líquida (Vapor fraction =0). Usaremos el método de propiedades de WILSON para obtener un destilado con un 80% en moles de EtOH y un producto de cola con un 0,5 % en moles de EtOH. 2º) Definiremos una columna tipo DSTWU en la que impondremos una relación de reflujo externa (L/D) de 2 veces el mínimo (en Aspen la proporcionalidad se expresa como un signo menos y el valor de la misma resulta ‐2). Con el balance de materia resuelto podemos especificar una recuperación del EtOH en el condensador del 0,9812=(0,8*24.53/0.2*100) respecto a la alimentación y una recuperación de agua de 0,061325=(0.2*24.53/0.8*100) en el mismo sitio respecto a la alimentación. BM GLOBAL F = D +W BM ETOH F Xf= D Xd + W Xw 100 = D + W D = 24,53 mol/h 100*0.2 = D*0,8 + W * 0,005 W = 75,47 mol/h En el método FUG (y su modificación WUG del ASPEN plus) hay que determinar la presión del condensador y del calderín. A efectos prácticos en esta primera ocasión vamos a suponerlos. A partir del cálculo del punto de burbuja y de rocío de las corrientes se determina la presión y se elige el condensador total o parcial. 3º) Como ya hemos dicho supondremos 0,9 atm en el condensador y 1,1 en el calderín (aunque podrían ser incluso más pequeñas y de hecho la diferencia es muy elevada 0,2 atm=2,94 psi y lo normal es una caída de unos 0,1 psi por plato, por lo que una columna de 20 platos tendría una caída de unos 2 psi) y simulamos de todos modos. En el bloque de resultados de la columna tendremos: de donde se obtiene el valor del reflujo mínimo de 1,092 (de la ecuación de Winn), el número de platos mínimo que es de 17 (16,87) y la ubicación del plato de alimentación (plato 22) de la columna actual (de 25 platos). Como se puede observar en los datos de corrientes (stream table) , se ha respetado el fraccionamiento impuesto casi exactamente (cuestión de decimales en el cálculo). REC TIFIC ACIÓN ETAN OL-AGUA
Stream ID
D
From
DSTWU
F
To
W
DSTWU
DSTWU
Phase
LIQUID
LIQUID
LIQUID
Substream: MIXED
Mole Flow
mol/hr
ETOH
19.62400
20.00000
.3760000
AGUA
4.906000
80.00000
75.09400
Mole Frac
ETOH
.8000000
.2000000
4.98211E-3
AGUA
.2000000
.8000000
.9950179
A partir de aquí podemos ir cambiando cada condición del sistema para converger hacia donde queramos. Respecto a los valores de las corrientes, podemos observar cómo se han respetado y fijado las proporciones de recuperación de los componentes clave. 4º) Haremos un análisis de sensibilidad cómo las condiciones de la alimentación influyen en el calor suministrado al calderín (QCALD). Definimos los análisis de sensibilidad FVAPFR y FTEMP y dentro de ellos definimos la variable dependiente QCALD (Block var, DSTWU, REB‐DUTY) y la QCALD1 WATT
900,0 950,0 1000,0 1050,01100,0 1150,0 1200,0 1250,01300,0 1350,0 1400,01450,0 1500,0
tabulamos. Variamos en un caso VFRAC (stream‐var, F, VFRAC) entre 0 y 1 con intervalo de 0,05 y en el otro caso TEMP (stream‐var, F, TEMP) entre 60 y 100ºC con intervalo de 1ºC. Y simulamos. 0,0
Sensitivity Results Curve
QCALD1 WATT
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
VARY 1 F MIXED VAPOR FR ACTION
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1,0
894,5
En el caso de la dependencia con la fracción de vapor, cuanto mayor es la fracción de vapor, mayor cantidad de calor es necesaria en el calderín para obtener la misma separación con los mismos platos. Sensitivity Results Curve
891,0
891,5
892,0
QCALD2 WATT
892,5
893,0
893,5
894,0
QCALD2 WATT
60,0
62,0
64,0
66,0
68,0
70,0
72,0
74,0
76,0
78,0
80,0
82,0
VARY 1 F MIXED TEMPERAT URE C
84,0
86,0
88,0
90,0
92,0
94,0
96,0
98,0
100,0
Sin embargo, para la temperatura de la entrada hay un mínimo de calor a una temperatura cercana a 79ºC. IMPORTANTE: Los análisis de sensibilidad se hacen respecto a las condiciones de la unidad aunque sin modificar el resto. Cuando variamos un parámetro, vemos la respuesta con el resto fijados. Se puede hacer un análisis de sensibilidad conjunto de más variables modificándose al mismo tiempo y se obtienen las tablas de resultados, pero las gráficas no permiten representarlas. Se necesita un software que genere curvas 3D. Se realiza un análisis conjunto de la influencia de la fracción de vapor y la temperatura de la corriente de alimentación F (JUNTOS). La temperatura variará entre 60 y 100ºC a intervalos de 1ºC y la fracción de vapor de 0 a 1 a intervalos de 0,05. 75,43
0,9
24,53
0,00
83,16
1,0
100,00
D
0,00
F
101,10
DSTWU
1,1
75,47
Temperature (C)
0,00
Pressure (atm)
Molar Flow Rate (mol/hr)
Vapor Fraction
W
5º) Una vez establecido el sistema podemos plantearnos si deseamos cambiar una especificación de diseño, por ejemplo el % EtOH en el destilado a 0,90. Vamos a Flowsheet option y design specification y definimos XETOH. Establecemos una tolerancia de 0,01 e indicamos que queremos variar el reflujo mínimo entre 1,092 (mínimo actual) y 5 en pasos de 0,1 y simulamos y ERROR. No podemos establecer una especificación de diseño sobre este valor pues en este modelo el balance de masa está resulto en base a estos datos de partida. En el historial de convergencia se puede comprobar cómo variar la ratio de reflujo mínima no afecta al cálculo de errores y por eso no puede converger. Estos datos son inamovibles en la simulación de este modelo y no se pueden hacer especificaciones o análisis de sensibilidad sobre ellos (en RADFRAC sí). EL BALANCE DE MATERIA ES FIJO EN ESTE MODELO. 6º) Vamos ahora a hacer una separación de clave‐ligera clave pesada. Los componentes de la alimentación son C2, C3, nC4, nC5 y nC6 con flujos molares de 30, 200, 370, 350 y 50 mol/h respectivamente de 110ºC y 20 atm. Se empleará una relación de reflujo externa(L/D) de 1,5 veces la mínima para obtener un objetivo de recuperación de c3 (clave ligera) de 0,95 y de c4 (clave pesada) de 0,05 en el destilado. En estas condiciones de alta presión es recomendable un método no ideal a altas presiones PENG‐ROBINSON(PENG‐ROB). 7º) Colocamos un bloque tipo DSTWU y sus corrientes y componentes pero lo desactivaremos de momento (con la derecha sobre el bloque en el Data browser) para calcular algunos datos que nos hacen falta. Buscamos la presión en el calderín y el condensador y el tipo de condensador (parcial o total). Además nos vendría bien conocer cuál es la fracción de vapor de la alimentación y cuáles son los puntos de rocío y de burbuja. Todo ello se puede obtener de una unidad flash que podemos crear en otra hoja de Aspen o en la misma en una nueva sección. En flowsheet, section creamos una nueva sección con ID FLASH, modelo FLASH2 y le incorporamos las corrientes. Ahora aplicaremos Flash adiabático (heat duty=0) a la alimentación a 110ºC ó 20 atm‐ uno de los dos‐ para averiguar su condición fásica) y simulamos. Y en los resultados del bloque flash veremos un 0,0576 de fracción vaporizada (luego es una mezcla V‐L con casi un 6% de vapor). Esto nos determina ya la condición de alimentación. Podemos usar el flash como isotérmico de esta mezcla para calcular los puntos de rocío y burbuja a 120ºF (método FUG). Para ello configuraremos una nueva sección en la hoja de flujo. Definimos las condiciones del flash para punto de burbuja (120ºF y fracción de vapor nula) y de la corriente de entrada con las mismas que la corriente de nuestra columna y simulamos. Dentro de los resultados del bloque flash encontraremos una P del punto de burbuja de 6,823 atm que equivale a 100,3 psi, como la presión es menor de 215 psi se usa el condensador total a esta presión. Si hubiera sido necesario calcular el punto de rocío se cambia el valor de fracción de vapor a 1 y se vuelve a simular. En el bloque de resultados del flash ahora indicará 2,479 atm que equivale a 36,4 psi. Nos tenemos que asegurar que la temperatura está por debajo de la de descomposición de los componentes sino habría que disminuir la presión en el condensador para que se necesitara menos temperatura en el calderín y , en consecuencia, en toda la columna. Por otra parte vamos a aproximar la caída de presión en columna (5 psi en el condensador y 0,1 psi por plato en columnas atmosféricas o superiores y 0,05 psi en columnas a vacío). Suponemos 20 platos (10 en cada sección de columna) lo que sería una caída de 6 psi en la sección superior (incluido condensador) y de 1 psi en la inferior (incluido calderín). Si entra a 20 atm, las presiones serían (20atm‐6psi)=20‐0.41=19.59 atm en el condensador y (20 atm+1psi)=20+0,07 atm=20.07 en el calderín. Esta decisión se puede luego cambiar tras ver el NPT que resulte de la simulación e iterar. 8º) Cumplimentamos la relación de reflujo (que será una fija o una proporción respecto al mínimo) que se expresaría con un signo (‐) delante, es decir para 1,5 veces el reflujo mínimo sería ‐1,5. 9º) Realizamos la primera simulación en estas condiciones y en la hoja de resultados buscamos los del bloque DSTWU. En esta hoja se especifica entre otras cosas NPTmin y L/Dmin aparte de los valores actuales de la simulación que podemos pasar a modificar ahora. La simulación pronostica 16 platos teóricos (siguiente entero a 15,92), y el plato de alimentación en el plato 9 (8,57). El mínimo NPT es de 10 (9,59) y una relación de reflujo mínimo de 2,784 entendiendo que en este caso el reflujo se expresa como externo (L/D). Incluso podemos comprobar en la ficha de balances que los ajustes son buenos. Como vemos hay menos platos de los considerados por lo que podemos volver a cambiar las presiones: 9 platos=0,9 psi+5=5,9 psi de pérdida de carga arriba y 7 platos=0,7 psi de pérdida de carga abajo. Las presiones serán por lo tanto: arriba=20‐5,9 psi=20‐0.40=19,60 atm y abajo=20+0,7 psi=20+0.05=20.05. Que no son muy dispares de las iniciales. Lo sustituimos y volvemos a simular. La simulación pronostica de nuevo 16 platos teóricos (siguiente entero a 15,91), y el plato de alimentación en el plato 9 (8,57).El mínimo NPT es de 10 (9,54) y una relación de reflujo mínimo de 2,784 por lo que ahora todo cuadra. También podemos obtener de las necesidades caloríficas del calderín y el condensador y de las temperaturas en ambos. 10º) A partir de aquí podemos ir cambiando cada condición del sistema para converger hacia donde queramos. Respecto a los valores de las corrientes, podemos observar en el resumen de corrientes (stream) cómo se han respetado y fijado las proporciones de recuperación de los componentes clave y como los no claves (c2, c5 y c6) están casi totalmente separados. Estos datos son inamovibles en la simulación de este modelo (aunque podemos cambiarlos manualmente antes de simular) y no se pueden hacer especificaciones o análisis de sensibilidad sobre ellos (en RADFRAC sí podremos). 48,17
19,6
238,61
0,00
D
110,00
20,0
1000,00
0,06
F
DSTWU
137,43
T empe ra tu re (C)
20,0
P re ssu re (atm)
761,39
Mol ar Flo w Rate (mo l/hr)
0,00
V apo r Frac ti on
W
DSTWU C2-C6
Stream ID
D
From
DSTWU
F
To
W
DSTWU
DSTWU
Phase
LIQUID
MIXED
LIQUID
Substream: MIXED
Mole Flow
mol/hr
C2
29.99496
30.00000
5.03857E-3
C3
190.0000
200.0000
10.00000
NC4
18.50000
370.0000
351.5000
NC5
.1188118
350.0000
349.8812
NC6
8.00154E-5
50.00000
49.99992
C2
.1257050
.0300000
6.61763E-6
C3
.7962656
.2000000
.0131339
Mole Frac
NC4
.0775311
.3700000
.4616580
NC5
4.97925E-4
.3500000
.4595319
NC6
3.35334E-7
.0500000
.0656696
11º) En la ficha de entrada de datos del bloque DSTWU en la pestaña calculations options podemos forzar a que se calcule la relación entre la relación de reflujo y el número de platos teóricos. Ponemos que queremos una simulación de platos 10 a 30 y un incremento de 1 y corremos la simulación. Ahora en los resultados del bloque se genera una pestaña de reflux ratio profile que nos informa de la dependencia de ambos parámetros entre sí. L/D vs NPT
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Como se observa, al bajar L/D disminuyen los costes de operación por unidad de destilado en cabeza, pero aumenta el número de platos (y aumenta el coste del equipamiento y del mantenimiento). Podemos disminuir hasta un valor de L/D de hasta 3,5 y después ya sólo aumentan los costes del inmovilizado y el mantenimiento y no compensa... Sensitivity Results Curve
7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9
NPT
12º) Podemos hacer un análisis de sensibilidad para ver como varía el número de platos teóricos en la sección de rectificación con el valor de la temperatura de entrada. Para ello en model analysis tools y sensitivity definimos el análisis de sensibilidad NPT (block var, DSTWU, RECT‐STAGES) y que varíe la temperatura de F (stream var, F, TEMP) entre 60 y 150ºC en intervalos de 1ºC en la corriente F. Simulamos y obtenemos que va bajando hasta 107ºC y cambia de tendencia a partir de aquí (probablemente la mezcla comienza a evaporarse en este punto y antes es una mezcla sólo líquida). Pero sólo afecta al cambio de NPT en la sección de rectificación a partir del valor de 117ºC. 60,0
65,0
70,0
75,0
80,0
85,0
90,0
95,0
100,0
105,0
VARY 1 F MIXED TEMPERAT URE C
110,0
NPT
115,0
120,0
125,0
130,0
135,0
140,0
145,0
150,0
2,825
Otro análisis de sensibilidad interesante es el de cómo varía el reflujo mínimo con la presión en el condensador. Definimos MINREFLU (block var, DSTWU, MIN‐REFLUX) y lo hacemos variar con PTOP y representar entre 15 y 20 atm a un intervalo de 0,1 atm. A menos presión, menor reflujo mínimo casi linealmente. Sensitivity Results Curve
2,6
2,625
2,65
2,675
MINREFLU
2,7
2,725
2,75
2,775
2,8
MINREFLU
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
VARY 1 DSTWU PARAM PTOP ATM
18,5
19,0
19,5
20,0
También podemos hacer estudio de la dependencia del XC5W con la relación de reflujo y veremos que es independiente. En las condiciones de P y T de la columna el C5 siempre sale por cola. Por último, si se desea que la columna sea de tipo empacada (columna de relleno) tan sólo hay que activar el item Calculate HETP en la hoja Calculation options de la columna y volver a correr la simulación. Se pueden probar diferentes alturas de columnas y ver la altura equivalente de plato teórico que se obtiene (un poco al revés de lo que sería habitual): para 6 metros de columna, tendríamos una altura equivalente de plato teórico de 0,377 m). MODELO DISTL Por su parte el modelo DISTL es similar al DSTWU pero admite una alimentación multicomponente. Se deben especificar la relación de reflujo, el número de platos teóricos y la ratio de productividad (D/F). Luego mediante simulación permite optimizar el resultado. Este modelo utiliza la aproximación de Edmister. Este modelo no se basa en el NPT y L/D mínimos sino en los teóricos (no estima los valores mínimos). 1º) Vamos a considerar una mezcla de 1000 mol/h de hidrocarburos c4‐c5‐c6‐c7‐c8 equimoleculares (todos 0,2) sin componentes clave. La temperatura de entrada es 150ºC y la presión 10 atm. Usaremos el modelo CHAO‐SEA, que está recomendado para aplicaciones de refinería de baja y media presión. En este caso se debe definir inequívocamente el número de platos teóricos, el plato de la alimentación la relación de reflujo externa (L/D) y la ratio D/F. Luego podremos modificarlo sobre la base de establecer simulaciones con análisis de sensibilidad y de especificación de diseño. Vamos a optar en una primera pasada por 20 etapas con el plato de alimentación en la 10, una ratio de reflujo externo de 2, y una ratio D/F de 0,7. Para no complicarnos en esta primera etapa podemos poner 10 atm de presión en condensador y calderín (sin casi pérdida) y consideramos el condensador total. Simulamos y obtenemos una separación mejorable con casi todo el C4 a c6 en el destilado y en el calderín una mezcla de c7‐c8. Podíamos incluso haber afrontado esta separación usando DSTWU. Lo peor es que tenemos c7 muy fraccionado (casi al 50%). D ISTL C 4 - C 8
Str e a m ID
D
Fr o m
D ISTL
To
Ph a s e
L IQ U ID
F
FIN
D ISTL
FL ASH
MIXED
MIXED
L OU T
VOU T
W
FL ASH
FL ASH
D ISTL
L IQ U ID
VAPOR
L IQ U ID
Su b s tr e a m: MIXED
Mo l e Flo w
mo l /h r
NC4
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
1 3 8 .6 0 1 6
6 1 .3 9 8 3 9 8 .3 7 7 7 7 E- 6
NC5
1 9 9 .9 9 5 7
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
1 6 1 .6 1 0 9
3 8 .3 8 9 0 9 4 .3 0 7 1 6 E- 3
NC6
1 9 9 .1 2 4 2
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
1 7 6 .8 1 3 1
2 3 .1 8 6 8 7
.8 7 5 8 4 8 1
NC7
9 9 .7 2 0 4 2
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
1 8 6 .2 0 2 4
1 3 .7 9 7 6 5
1 0 0 .2 7 9 6
NC8
1 .1 6 0 2 2 3
2 0 0 .0 0 0 0
2 0 0 .0 0 0 0
1 9 1 .9 0 1 3
8 .0 9 8 7 4 6
1 9 8 .8 3 9 8
2º) Empezamos por ajustar bien las presiones calculando el punto de burbuja en el flash isotérmico a 120ºF y fracción de vapor 0 y resulta 1,316 atm que son 19,34 psi muy inferior a 215 psi por lo que el condensador es total. Si ponemos el flash adiabático (heat duty=0) y 150ºC (alimentación) obtenemos una fracción de vapor de 0,1449 (que sería la condición de alimentación en ASPEN PLUS), por lo que estamos en una mezcla líquido‐vapor de casi un 14,5% vapor y el resto de líquido. Si observamos los resultados de la ficha del DISTL, esta información está en ellos como feed quality (no está en DSTWU): Si seleccionamos la corriente F y hacemos un análisis Tools, stream, dist‐curve tendremos las curvas de destilación conforme a varias normas y estándares para esta alimentación. 100,0 125,0 150,0 175,0
Flash.Stream.Distillation for Stream: F
TBPCRV
D86CRV
D1160CRV
-100,0 -75,0
-50,0
-25,0
TEMPERATURE C
0,0
25,0 50,0
75,0
VACCRV
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
%DISTIL
55,0
60,0
65,0
70,0
75,0
80,0
85,0
90,0
95,0
100,0
donde: NOTA: SOBRE LA CONDICIÓN DE ALIMENTACIÓN EN ASPEN PLUS. Si hacemos un análisis de corriente del punto (Tools, analysis, stream, point) de propiedades termodinámicas: donde HMX es la entalpía. Repitiendo el análisis al imponer una fracción de vapor de 0 y 1 (en lugar de la temperatura a 10 atm en los datos de la corriente F) obtenemos ‐47937,11 en VF=0 y ‐39585,89 en VF=1. Y podemos calcular la condición de alimentación: 39585.89
39585.89
∅
46736.25
47937.11
,
CUIDADO: La condición de alimentación en ASPEN PLUS es 1‐ =0,144. en lugar de tomar como referencia el VAPOR se toma como referencia el LÍQUIDO: 46736.25
39585.89
∅
47937.11
47937.11
,
3º) VAMOS A AFINAR MÁS EL TEMA DE LA PRESIÓN EN LA COLUMNA. Considerando los 20 platos anteriores con la alimentación en el plato 10, la pérdida de presión sería en la zona de enriquecimiento sería de 5+1=6 psi=0,41 atm y la presión en el condensador=10‐0,41=9,59. Para la zona de agotamiento la pérdida sería de 1 psi= 0,07. Y la presión en el calderín sería de 10+0,07=10,07. Lo incluimos en el DISTL y volvemos a iterar y la cosa cambia más bien poco (ver streams). Ahora habría que imponer un objetivo: Separar casi completamente el C8 por abajo (>98%) y el c7 por arriba lo mejor posible. ¿cómo?.... 4º) Vamos al análisis de sensibilidad para ver cómo influyen los parámetros clave del DISTL en la separación y analizaremos la cantidad de C8 en W respecto a F (XWC8/XFC8) en mole flow y la cantidad de c7 en el destilado respecto a F (XDC7/XFC7) en mole flow en función de la relación de reflujo (RR), del NPT (NSTAGE) y de la posición del plato de alimentación (FED‐LOC). XWC8/XFC 8
Sensitivity Results Curve
0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,9 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,0
0,475
0,47
0,465
0,46
0,455
0,45
0,445
XDC7/XFC 7
0,48
0,485
0,49
0,495
0,5
En primer lugar, al variar la relación de reflujo (creamos el análisis de sensibilidad REFLUX) variando RR entre 0,25 y 5 vemos que por encima de 2, casi no mejora ninguno de los dos. Es más, podemos bajar hasta 1,5 y seguiríamos con un 99% de nC8 recuperado en el calderín y un 50% de C7 en cabeza. 0,0
XDC7/XFC 7
XWC8/XFC 8
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
VARY 1 DISTL PARAM RR
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Vamos a bajar la relación de reflujo a 1,5 (antes estaba en 2) en DISTL para ahorrar costes de operación y simulamos. 0,498
0,9907
Vamos analizar lo que pasa en función del número de platos. Ahora creamos análisis de sensibilidad llamado NPT (desactivamos mejor REFLUX) en función del número de platos (NSTAGE) y lo variamos entre 20 y 30 (obviamente en incrementos de 1). Sensitivity Results Curve
0,9905
0,99045
XWC8/XFC 8
0,99055
0,496
0,495
0,494
0,491
0,99035
0,492
0,9904
0,493
XDC7/XFC 7
XWC8/XFC 8
0,9906
0,497
0,99065
XDC7/XFC 7
20,0
20,5
21,0
21,5
22,0
22,5
23,0
23,5
24,0
24,5
25,0
VARY 1 DISTL PARAM NSTAGE
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
28,0
28,5
29,0
29,5
30,0
La recuperación en cabeza de c7 mejora aunque no mucho al bajar el número de platos a 20 y para el c8 apenas empeora al bajar por debajo de 22 platos (por encima algo más). Hemos de reconsiderar nuestra columna para abaratar costes y bajar el número de platos. Vamos a cambiar en el módulo DISTL la columna a 10 platos con la alimentación en el 5 y desactivaremos los análisis de sensibilidad para que no den problemas y simulamos. Vemos los resultados en stream. Nos hemos pasado. Con tan pocos platos, empeora mucho la separación (incluso empiezan a aparecer c6 y c5 en el calderín. Ponemos 15 platos y la alimentación en el 7 y simulamos. 0,498
0,499
0,995
0,497
0,496
XDC7/XFC 7
0,493 0,494 0,495
XWC8/XFC 8
0,9825 0,985 0,9875
0,492
0,98
XDC7/XFC 7
0,491
0,9775
XWC8/XFC 8
0,49
0,975
0,9725
Sensitivity Results Curve
0,489
0,99
0,9925
0,9975
Ahora intentamos mejorar la separación aumentando la relación de reflujo. Activamos el análisis de sensibilidad REFLUX y variamos entre 1,5 y 10 en intervalos de 0,5 y simulamos. 1,5
1,75
2,0
2,25
2,5
2,75
3,0
3,25
3,5
3,75
4,0
4,25
4,5
4,75
5,0
5,25
5,5
5,75
6,0
6,25
VARY 1 DISTL PARAM RR
6,5
6,75
7,0
7,25
7,5
7,75
8,0
8,25
8,5
8,75
9,0
9,25
9,5
9,75
10,0
Basta subir por encima de 3,5 de L/D para tener de nuevo una buena recuperación del c8 (>99%). Así que con unas 15 etapas ahorramos bastante respecto a la columna de 20 y sólo hay que subir el reflujo de 1,5 a 3,5. Lo hacemos (cambiamos a 3,5 en DISTL) y simulamos. 1,0
Sensitivity Results Curve
XDC7/XFC 7
0,9
XWC8/XFC 8
0,92
0,94
0,96
0,98
XWC8/XFC 8
0,88
XDC7/XFC 7
0,39 0,4 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58
Por último vamos a localizar mejor el plato para mejorar aún más. Desactivamos los otros dos análisis de sensibilidad y creamos el análisis de sensibilidad FEEDTRAY definiendo la variable FEED‐LOC entre 2 y 14 (a incrementos de 1). El c8 casi no tiene mejora a partir de la posición 10. Para el c7 mejora cuanto más subimos el plato de alimentación. 2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
VARY 1 DISTL PARAM FEED-LOC
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
1,0
0,975
0,95
0,925
XWC8/XFC 8
0,85
0,875
0,9
0,825
0,8
0,775
0,75
XDC7/XFC 7
0,52 0,525 0,53 0,535 0,54 0,545 0,55 0,555 0,56 0,565 0,57 0,575 0,58 0,585 0,59 0,595
Desactivamos el análisis de sensibilidad FEEDTRAY y vamos a cambiar en el módulo DISTL el plato de alimentación en la posición 13. Activamos el REFLUX entre 0,5 y 10 y EUREKA. Encontramos un máximo local a 1, pero para cumplir con el 98% de c8 hay que ir a 1,5. De todos modos a 1,5 de reflujo, 15 platos con el plato 13 de alimentación hemos mejorado la recuperación de c7. hasta el 58%. NO HAY PARA MÁS. Cambiamos en DISTL a 1,5 y simulamos. 0,0
Sensitivity Results Curve
XWC8/XFC 8
XDC7/XFC 7
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
VARY 1 DISTL PARAM RR
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
Sólo quedaría AFINAR las presiones del calderín y condensador. Con 15 platos (13 de ellos en la sección de enriquecimiento los cambios de presión quedarían: ‐6,3 psi y +0,2 psi (9,57 y 10,01). Simulamos con las nuevas presiones y no cambia casi nada. DISTL C4-C8
Stream ID
D
From
DISTL
To
Phase
LIQUID
F
FIN
DISTL
FLASH
MIXED
MIXED
LOUT
VOU T
W
FLASH
FLASH
DISTL
LIQUID
VAPOR
LIQUID
Substream: MIXED
Mole Flow
mol/hr
NC 4
199.4414
200.0000
200.0000
138.6016
61.39839
.5585874
NC 5
196.7742
200.0000
200.0000
161.6109
38.38909
3.225820
NC 6
184.9679
200.0000
200.0000
176.8131
23.18687
15.03213
NC 7
116.0346
200.0000
200.0000
186.2024
13.79765
83.96544
NC 8
2.782274
200.0000
200.0000
191.9013
8.098746
197.2177
Mole Frac
NC 4
.2849163
.2000000
.2000000
.1620826
.4238150 1.86196E-3
NC 5
.2811060
.2000000
.2000000
.1889900
.2649886
.0107527
NC 6
.2642398
.2000000
.2000000
.2067677
.1600521
.0501070
NC 7
.1657637
.2000000
.2000000
.2177476
.0952410
.2798848
NC 8
3.97468E-3
.2000000
.2000000
.2244120
.0559032
.6573924
NOTA: Como se observa este modelo sirve básicamente como etapa previa del riguroso (RADFRAC) y no aporta gran información salvo permitir establecer unas primeras simulaciones en mezclas multicomponentes sin clave ligera y pesada (que es el campo al que no llega DSTWU) de cuál es el rango de platos y relaciones de reflujo útiles. TABLA DE CASOS NOMBRE ETOH‐H2O Aire COMPONENTES (PROPORCIÓN) ETOH (0,35) Agua (0,65 ) 100 mol/h O2 (0.205) N2 (0.79) Ar (0.05) 100 mol/h Ternaria 2‐etoxietanol no ideal n‐octano etilbenceno (0,2; 0,55; 0,25) 100 mol/h Azeótropo Cloroformo ternario Acetona Metanol (0,4; 0,3; 0,3) 100 mol/h C2‐C6 Etano 1,5 mol/h Propano 10 mol/h n‐butano 18,5 mol/h n‐pentano 17,5 mol/h n‐hexano 3,5 mol/h total: 51 mol/h C3‐C6 Propano 10% mol n‐butano 20% mol n‐pentano 30% mol n‐hexano 40% mol 100 mol/h HOMEWORK: PROPERTY METHOD IDEAL EST. ENERG. ENTRADA 1 atm 85ºC EQUIPO NOTAS FLASH2 85ºC, 0,8 atm IDEAL ‐200ºC 1 atm FLASH2 ‐185ºC 2 atm UNIQUAC 100ºc 5 atm FLASH2 117ºC 0,9 atm Isotermo Análisis de sensibilidad Diagr. binarios Isotermo Análisis de sensibilidad Diagr. ternarios Isotermo Análisis de sensibilidad Azeótropos UNIQUAC 100ºC 1 atm FLASH2 52ºC 0,8 atm IDEAL 1,72 MPa Fracción de vapor =0 FLASH2 1,72 MPa IDEAL 65,5ºc 8,25 atm FLASH2 93,5ºC 7 atm Isotermo Análisis de sensibilidad Azeotr. ternario. P. de burbuja y de rocío Especif. de diseño Isotérmico y adiabático 1º) Averiguar qué rango de condiciones de presión y temperatura permiten separar una mezcla benceno‐tolueno en proporción molar 1:5 que entra a 25ºC y 1 atm y se somete a unas condiciones isotérmicas (50ºC) y 0,2 atm en una unidad flash. Hacer un análisis de sensibilidad separado y conjunto. Dibujar "plots" de sensibilidad respecto a la P y T del equipo. (Usar el método de WILSON). 2º) Obtener el diagrama ternario de la mezcla nc5‐nc6‐nc7 a 15 atm usando el método PENG‐
ROBINSON. 3º) Obtener los puntos de rocío y de burbuja a 7,2 atm de una mezcla equimolecular de NH3 y AGUA usando el modelo WILSON. 4º) Obtener el diagrama ternario con azeótropos a 10 atm y 25ºC de la mezcla equimolar MeOH‐Acetona‐Hexano. Usar el método PENG‐ROBINSON. TABLA DE CASOS (II) NOMBRE COMP. (PROP.) PROPERTY METHOD ETOH‐H2O ETOH (0,2 mol) Agua (0,8 mol) 100 mol/h WILSON C2‐C6 PENG‐ (mol/h) ROBINSON Etano 30 Propano 200 n‐butano 370 n‐pentano 350 n‐hexano 50 total: 1000 20 atm 110ºC ÍDEM PENG‐ ROBINSON 120ºF VF=0 (BP) VF=1 (DP) HD=0 n‐butano n‐pentano n‐hexano n‐heptano n‐octano equimolecul
ares total: 1000 mol/h ÍDEM CHAO‐SEA 150ºC 10 atm CHAO‐SEA 120ºF VF=0 (BP) VF=1 (DP) HD=0 C4‐C8 EST. ENERG. ENTRADA 83,16ºC Líquida (VF=0) EQUIPO NOTAS Xd= 0,8 Xw=0,005 Rec ETOH= 0,9812 Rec H2O= 0,061325 C. ligera:c3 DSTWU C. pesada: c4 L/D= 1,5xL/Dmin Rec CL= 0,95 Caída P: 5 psi (condensador) Rec CP= 0,05 0,1 psi (plato) Suponemos 20 platos RESULTA: 19,59 atm y 20,07 atm FLASH2 Para calcular el punto de burbuja y rocío y ver la condición de alimentación D/F=0,7 DISTL L/D= 2 Suponemos 20 platos Feed Stage: 10 P. supuesta 10 atm en ambas DSTWU L/D= 2xL/Dmin 0,9 atm (condensador) 1,1 atm (calderín) FLASH2 Para calcular el punto de burbuja y rocío y ver la condición de alimentación HOMEWORK: Problemas de clase para DSTWU: 1) Una solución acuosa con 35% en peso de amoníaco se desea separar, a 10 atm, en un producto de cabeza con un 97,5% de amoníaco y un producto de colas con un 2,5% de amoníaco. Si la alimentación entra a 15 °C y la relación de reflujo es L/V = 2/3, calcular: las corrientes de entrada y salida de la columna, el condensador y el calderín. SOLUCIÓN BALANCE DE MASA Corriente Caudal (kg/h) Fracción másica F 100 0,35 D 34,21 0,975 W 65,79 0,025 L0 68,42 0,975 V1 102,63 0,975 Para el ASPEN: En el condensador: Fracción recuperada de NH3: (0,975*34,21/0,35*100)=0,95299 Fracción recuperada de H2O: (0,025*34,21/0,65*100)=0,01316 OJO: Reflujo externo: (L/D)= 68.42/34.21=2 USAR método termodinámico PENG ROBINSON with WONG‐SADLER mixing rules (PRWS) Como aproximación, consideramos que no hay pérdida de presión en la columna: 10 atm en cabeza y cola. Resultados: Da lugar a algo con no demasiado sentido (3 platos con un mínimo de 2 y la alimentación en el segundo plato...). Al resolverlo por Pochon‐Savarit os salieron 4 platos (3 más el calderín). Parece que en estas condiciones de presión y temperatura, la separación es muy sencilla (volatilidades muy diferentes entre compuestos) y no tiene sentido montar una columna de rectificación. En cualquier caso vamos a considerar un análisis de sensibilidad de L/D vs NPT de 2 a 12 platos y vamos a generar los resultados, a partir de 5‐6 platos el descenso en la ratio de ref lujo no justifica seguir. L/D vs NPT
7
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14