acetona – metanol

SIMULACIÓN EN ASPEN PLUS DEL FRACCIONAMIENTO DEL SISTEMA
ACETONA-METANOL MEDIANTE PROCESOS DE DESTILACIÓN AVANZADA
Cristina Prieto, Lourdes Calvo1
Departamento de Ingeniería Química, Universidad Complutense de Madrid, 28040 Madrid
1E-mail: [email protected]
II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química
Metodología
Introducción y Objetivo
El sistema acetona – metanol presenta un azeótropo de Teb mínima al
77,7% de acetona, que impide la separación de la mezcla en
componentes puros mediante los métodos convencionales.
Esta práctica se propone en la asignatura de Ampliación de Operaciones de Separación de
4º curso del grado de Ingeniería Química. Los alumnos deben: a) estudiar las
características del sistema y seleccionar el mejor modelo termodinámico para describirlo; b)
plantear la separación en componentes de alta pureza empleando procesos de destilación
avanzada, seleccionando el más adecuado de acuerdo a las características de la mezcla;
c) realizar el balance de materia del proceso; d) dimensionar las columnas por métodos
aproximados (ec. de Fenske y Underwood); e) optimizar el diseño empleando ASPEN
PLUS; f) comparar los resultados obtenidos del mismo proceso optimizado
económicamente [1].
Como objetivo de la práctica se plantea la separación de una mezcla de
540 kmol/h compuesta por acetona-metanol cuya fracción molar es de
0,5 de acetona a una temperatura de 320 K, empleando operaciones de
separación avanzada para lograr el fraccionamiento y obtener ambos
productos con un 99,5% de pureza.
Resultados y Discusión
El diseño o análisis de un proceso de separación requiere un modelo termodinámico adecuado. Para este sistema y por mejor ajuste a datos experimentales se
selecciona el modelo termodinámico UNIQUAC.
Se estudian las características del sistema:
P=10 atm
También se estudia la posibilidad de añadir un
disolvente para la separación de la mezcla.
Este disolvente debe tener elevado punto de
ebullición, no formar nuevos azeótropos y ser
fácilmente recuperable. El agua cumple estas
características, además de ser barato y
ampliamente disponible, por lo que podría
emplearse en destilación extractiva. Esta
operación se caracteriza por ser un proceso de
vaporización parcial en presencia de un
agente másico de separación, de alto punto de
ebullición y no volátil, que se añade a la
mezcla de alimentación para modificar las
volatilidades de los componentes clave [2].
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
55.24 C
0.2
Se observa que la composición del azeótropo cambia en un
rango moderado de presión, por tanto podría emplearse la
destilación con cambios de presión. Esta operación es un
proceso de separación de un azeótropo sensible a cambios
moderados de presión empleando una secuencia de dos
columnas a diferentes presiones [2].
0.1
Tools > Analysis > Property > Binary > Txy > Plot Wizard
Mapa ternario (base molar)
0.8
0.9
P=1 atm
T e rna ry M a p (M o le B a s is )
Metanol
METHA-01(64,53ºC)
(64.53 C)
Agua
WATER
(100,02ºC)
(100.02 C)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Acetona
ACETO-01
(56,14ºC)
(56.14 C)
Tools > Conceptual Design >
Ternary Maps
Partiendo de los datos del problema y con las especificaciones de pureza (99,5%) se realiza el balance de materia para ambos procesos. El caudal de cada corriente así
como su composición se muestra en los diagramas de flujo. La cantidad de agua necesaria en destilación extractiva (1100 Kmol/h) se obtiene mediante el balance de
materia.
Con estos datos se procede al cálculo de la relación de reflujo y el número mínimo de platos mediante las ecuaciones de Fenske y Underwood, que sirven como datos
de partida para la simulación en ASPEN PLUS. Las columnas se resuelven secuencialmente, optimizando la relación de reflujo y el flujo de destilado. Por último se
dimensionan las columnas. Para ello se emplean las secuencias de comandos aquí especificados.
Datos obtenidos mediante
simulación en ASPEN PLUS
Columns > RADFRAC
Calculation type: equilibrium
Number of stages: 32
Condenser: total
Reboiler: Kettle
Convergence: azeotropic
Distillate rate: 458 Kmol/h
Reflux ratio: 4
“Data Browser” > Blocks > B1 > Design Specs
“Data Browser” > Blocks > B1 >Tray Sizing
“Data Browser”> Blocks > B1 >Tray Rating> Design/Pdrop
Los resultados obtenidos se compararan con el mismo proceso optimizado económicamente [1]. Se observó que para la misma pureza de separación, aumentando el
número de platos de cada columna y modificando el plato de entrada de las corrientes puede reducirse el consumo energético del condensador y de la caldera.
Se observa que ambos procesos son factibles. Sin embargo, la destilación con cambios de presión requiere mayor energía para aumentar la presión y la temperatura, y
también se requiere columnas de mayor altura. La destilación extractiva presenta la desventaja de añadir un tercer componente a la mezcla, que aparecerá como
impureza en el producto, 1,5 Kmol/h, que se vuelven a introducir al proceso a través de una corriente de make-up; no obstante, el menor requerimiento energético hace
que sea una opción válida.
Conclusiones
Los resultados obtenidos muestran que cualquiera de las dos operaciones son válidas para llevar a
cabo la separación en componentes puros, y además la simulación demuestra que el proceso es
factible desde el punto de vista técnico, puesto que las dimensiones de las columnas y el
requerimiento energético son similares a los empleados en otros procesos comerciales.
Referencias
1. Luyben W.L., Ind. Eng. Chem. Res. 47 (2008), 2696-2707.
2. Seader J.D., Henley E.J., Separation Process Principles. John Wiley
& Sons. New York (2006).