universidad veracruzana

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
REGIÓN POZA RICA -TUXPAN
“ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA DE SEPARACIÓN
CONSIDERANDO EL DISEÑO DEL PLATO EN LA
DESTILACIÓN EXTRACTIVA DE LA MEZCLA
ETANOL – AGUA A TRAVÉS DE ASPEN PLUS”
TESIS
PARA ACREDITAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO
DE LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL EN EL
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PRESENTA:
RUBÍ ESMERALDA GARCÍA VELÁZQUEZ
DIRECTOR DE TESIS:
M.C. CARLOS ANTONIO MÁRQUEZ VERA
POZA RICA DE HIDALGO VER.
SEPTIEMBRE 2014
AGRADECIMIENTOS
A Dios le agradezco por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera,
por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad al estar lejos de casa, por
brindarme una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad a lado
de familiares y amigos.
Le doy gracias a mis padres Marcelo y Margarita por apoyarme en cada decisión
que he tomado desde pequeña hasta el día de hoy que culmino mis estudios de
licenciatura, por los valores que me han inculcado y las enseñanzas que me han
otorgado, por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el
transcurso de mi vida. Sobre todo porque son un excelente ejemplo a seguir, mi
triunfo es de ustedes.
A mis hermanos Oscar Marcelo y Juan Ángel, gracias por formar parte de mi vida
porque son un gran complemento para representar la familia que somos, por cada
momento de juegos, de compañía y de travesuras. Por la inspiración que me han
dado para estudiar y salir a delante en cada adversidad.
A mis amigos por confiar y creer en mí, ustedes hicieron de mi etapa universitaria
un trayecto de vivencias que nunca olvidare.
Gracias ingeniero Carlos Antonio Márquez Vera por creer en mí, por haberme
brindado la oportunidad de desarrollar mi tema profesional y por todo lo que me ha
enseñado durante la carrera.
CONTENIDO
Pág.
Introducción……………………………………………………………………..
8
Planteamiento del problema………………………………………………….
10
Justificación……………………………………………………………………..
10
Hipótesis………………………………………………………………………....
11
Objetivos………………………………………………………………………....
11
Capitulo I.- Marco teórico y antecedentes………………………………....
12
1.1 Equilibrio de fases…………………………………………………………...
12
1.1.1 Equilibrio de fases para un sistema multicomponente………….
1.1.2 Sistemas termodinámicos………………………………………….
1.1.3 Ecuaciones de estado……………………………………………...
1.1.4 Azeótropos…………………………………………………………..
14
15
17
22
1.2 Operación unitaria de destilación………………………………………….
27
1.2.1 Características de la destilación…………………………………..
1.2.2 Operaciones industriales y componentes de las torres de
destilación………………………………………………………………….
28
1.3 Destilación extractiva……………………………………………………….
32
1.3.1 Separación de mezclas azeotrópicas…………………………….
1.3.2 Variación del equilibrio por agentes másicos de separación…..
1.3.3 Solvente empleados en la destilación extractiva………………..
1.3.4 Tipos de platos (bubble cap, sieve, glitsh ballast, koch flexitray
y nutter float valve)………………………………………………………..
1.3.4.1 Características termodinámicas consideradas para la
elección de platos…………………………………………………….
32
36
36
1.4 Simulación de Aspen Plus………………………………………………….
47
1.4.1 Utilidad y aplicaciones de Aspen Plus en ingeniería química….
1.4.2 Parámetros del sistema de destilación extractiva……………….
47
50
Capítulo II.- Metodología............................................................................
51
2.1 Elección del solvente y revisión de las ecuaciones de estado…………
2.2 Condiciones de operación más adecuados para el proceso de
destilación extractiva…………………………………………………………….
51
30
38
46
53
CONTENIDO
2.2.1 Flujos…………………………………………………………………
2.2.2 Número de platos…………………………………………………...
2.2.3 Relación de reflujo………………………………………………….
53
55
56
2.3 Variación del diseño del plato empleado en la columna extractiva……
57
2.3.1 Tipo de plato………………………………………………………...
2.3.2 El diámetro del plato………………………………………………..
2.3.3 Altura del vertedero para el plato…………………………………
2.3.4 Espaciamiento entre platos de la torre…………………………...
58
59
60
61
Capítulo III.- Resultados y discusión……………………………………….
62
3.1 Elección del solvente para la destilación extractiva……………………..
62
3.2 Análisis de las condiciones de operación de la torre de destilación
extractiva………………………………………………………………………….
62
3.3 Efecto del diseño de plato en la eficiencia de separación……………...
65
CONCLUSIONES………………………………………………………………..
75
CONTENIDO DE TABLAS..........................................................................
76
CONTENIDO DE FIGURAS……………………………………………………
77
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………….
79
INTRODUCCIÓN
Con el avance de la tecnología en los países desarrollados, la industria química
debe encontrar procesos eficientes, eficaces y rentables para mejorar la producción
de los diferentes productos que se manejan en la actualidad, para conocer el
proceso sin hacerlo a gran escala, los ingenieros químicos tenemos la facultad de
realizar simulaciones con los diferentes softwares, en este trabajo utilizamos el
simulador Aspen Plus.
La simulación de un proceso nos representa de forma esquematizada las
características a analizar, como la fabricación, si el costo es competitivo en el área
laboral, para saber si el servicio que se presenta será de gran utilización para los
clientes, sobre todo los elementos y el tiempo que se deben emplear.
En este trabajo se analizará el comportamiento del equilibrio de fases en la mezcla
azeotrópica etanol – agua con la ayuda del simulador Aspen Plus para lograr una
pureza mayor del 90% de etanol , considerando el efecto que tiene la elección del
solvente, el tipo de plato así como sus diferentes características que incluyen al
diámetro, altura de vertedero, distancia de los platos en la torre, del mismo modo se
tomarán en cuenta las condiciones más adecuadas de operación en la torre de
destilación, considerando flujos, número de platos y relación de reflujo, para realizar
un estudio más sofisticado se dividió el trabajo en tres capítulos, los cuales abarcan
cada uno de los puntos antes mencionados.
En análisis del proceso se ejecuta en base a los términos termodinámicos
estudiados a lo largo de la carrera como las ecuaciones de estado, en que consiste
un azeótropo, en el primer capítulo se deja en claro las características y los tipos de
la destilación, profundizando más en la extractiva que es con la que se trabajó en la
simulación para un mejor resultado, de igual forma se mencionan los tipos de platos
y sus características, para conocer las condiciones de operación. Se da un
8
INTRODUCCIÓN
panorama de lo que consiste una simulación y la utilidad que se tiene al manejar el
programa de Aspen Plus.
El segundo capítulo es la metodología del proyecto, elemento primordial ya que se
presenta el desarrollo de la simulación, se hace la elección del solvente que por sus
propiedades es el etilenglicol, se detallan las particularidades de los platos y se
determinan datos importantes del que se eligió, en este caso el Bubble Cap.
Los resultados se muestran en el tercer y último capítulo, siendo uno de los más
importantes, explica y deduce el porqué de los elementos que intervienen durante
todo el proceso, uno de los primeros es el solvente para la destilación, ya que debe
ser un agente orgánico que no forme otro azeótropo en la mezcla, de igual manera
se analizan las condiciones de operación que se utilizaron en la torre de destilación
que fueron las estándar y el diseño del plato que se empleó.
9
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:
El trabajo presenta las condiciones a las cuales se someterá la mezcla azeotrópica
etanol – agua por lo que se debe saber la composición de la mezcla con la que
saldrá de la torre de destilación, el proceso se analiza ya que el etanol es un factor
primordial en el sector industrial y farmacéutico, se utiliza como forma alterna de
combustible por lo que se han realizado varios estudios para lograr una mejor
purificación, para el seguimiento del desarrollo se determina cuál es el tipo de plato
más eficiente y adecuado. El análisis del efecto que tiene la variación en el diseño
de platos con la destilación extractiva debe ser rigurosa para poder hacer la mejor
elección.
JUSTIFICACIÓN
Para el uso de energéticos se maneja una amplia gama de sustancias, en este caso
el etanol es uno de los más importantes y para su purificación se mostrará un
proceso,
en
el
cual
su
composición
con
respecto
al
agua
aumenta
considerablemente, para que así se tome en cuenta como una opción para ser un
aditivo en gasolinas y su manejo como combustible alternativo sea adecuado. Para
lograr lo anterior se busca identificar las características benéficas de los platos de
las torres de destilación extractiva, la cantidad que se debe emplear para la
eficiencia y condiciones que favorezcan el proceso.
10
HIPÓTESIS
En base a la simulación se requiere lograr una purificación de más del 90% del
compuesto de etanol, sin exceder la cantidad de cien platos en la torre de destilación,
recirculando el solvente que se manejara para el amplio ahorro económico que se
pretende dar al proceso de destilación, se requiere dar una propuesta para mejorar los
procesos que se encuentran en el mercado de la industria química, esto para dar a
conocer al etanol azeotrópico como un combustible alterno en la actualidad.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
El objetivo principal es analizar la eficiencia de la simulación en la separación de la
mezcla azeotrópica etanol – agua, lograr una pureza mayor del 90% con una
composición inicial de 52.27% de etanol y 47.73% de agua y proponer al destilado
como un combustible alterno.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Establecer las condiciones de operación en forma estándar, esto quiere decir
que se ha de utilizar los valores de temperatura a 25 °C y una presión de 1 atm.
 Analizar la variación de diseños y conocer las características de los platos
(diámetro, espacio entre platos y vertedero) a manejar durante las corridas de
las simulaciones.
 Optar por el plato que proporcione una mejor extracción de la concentración del
etanol en la torre de destilación, para que en el condensador se obtenga un
mayor grado de pureza del compuesto.
11
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
1.1.- EQUILIBRIO DE FASES
En la industria química se cuenta con una diversa variedad de mezclas como por
ejemplo: etanol-gasolina, bituminosas y cada una de ellas han sido clasificadas por el
diferente comportamiento de sus componentes presentes, es por eso que en las
operaciones unitarias como la destilación, la absorción o la extracción por mencionar
algunos, se relacionan varias fases coexistiendo en el equilibrio. En un equilibrio existe
una condición estática en la cual no ocurrirá ningún cambio en las propiedades
macroscópicas de un sistema en un determinado tiempo, denominado estado
estacionario. Observándolo desde la termodinámica un sistema en estado de equilibrio
se encuentra en condiciones tales que no presentan ninguna predisposición para que
ocurra un cambio de estado.
La termodinámica trata con estados de equilibrio, los cuales tienen un estado de
balance, un estado de equilibrio donde no hay potenciales desbalanceados o fuerzas
impulsoras dentro de un sistema y no experimenta cambios cuando es aislado de sus
alrededores. Existen muchos tipos de equilibrios como por ejemplo:
 Equilibrio térmico: si se tiene la misma temperatura en todo el sistema, es decir,
que no implica diferencial de temperatura, que es la fuerza impulsora para el
flujo de calor.
 Equilibrio mecánico: está relacionado con la presión, y un sistema lo posee si
con el tiempo no hay cambio de presión en alguno de sus puntos, sin embargo,
al interior del sistema la presión puede variar con la elevación como resultados
de efectos gravitacionales.
 Equilibrio de fases: existe si en un sistema hay dos fases y es cuando la masa
de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece allí.
12
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Equilibrio químico: si la composición química del sistema no cambia con el
tiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.
Un sistema no estará en equilibrio a menos que se satisfagan los criterios de equilibrio
necesarios. (Yunus A. Cengel, 2009)
Para la determinación de los datos de una mezcla binaria como lo es el etanol – agua,
en equilibrio líquido – vapor las composiciones a establecer son la temperatura y la
presión. Los datos con frecuencia se presentan en reportes de destilación,
representando el equilibrio de fases, estos son en forma de tablas de fracción molar
de vapor y, y fracción molar de líquido x, para un componente en un intervalo de
temperatura, teniendo en cuenta que la presión P permanece fija o en un intervalo de
presión para una temperatura fija, los valores más manejables son T y P ya que se
pueden manipular de una manera accesible conociendo así el comportamiento de la
mezcla en diferentes momentos. (Perry, 2010)
La composición química de una mezcla no cambia a menos que la temperatura y
presión de la mezcla cambien. Esto es una mezcla reactiva ya que tiene diferentes
composiciones de equilibrio a presiones y temperaturas distintas. Por lo tanto se
considera un sistema reactivo bajo una presión y temperatura establecidas. El
equilibrio de dos fases de una sustancia pura como el agua se desarrolla considerando
una mezcla de líquido y vapor saturados en equilibrio, bajo una presión y temperaturas
especificadas:
𝐺 = 𝑚𝑓 𝑔𝑓 + 𝑚𝑔 𝑔𝑔
Ec. 1.1
Donde gf y gg son las funciones de Gibbs de las fases liquida y de vapor por unidad de
masa, si existe un disturbio durante el cual se evapora una cantidad diferencial de
líquido dmf que se evapora a temperatura y presión constantes.
13
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
(𝑑𝐺) 𝑇,𝑃 = 𝑔𝑓 𝑑𝑚𝑓 + 𝑔𝑔 𝑑𝑚𝑔
Ec. 1.2
Puesto que gf y gg permanecen constantes bajo una presión y temperatura constantes.
En el punto de equilibrio, (𝑑𝐺) 𝑇,𝑃 = 0. A partir del principio de conservación de la masa,
𝑑𝑚𝑔 = −𝑑𝑚𝑓 . Sustituyendo se obtiene:
(𝑑𝐺) 𝑇,𝑃 = (𝑔𝑓 − 𝑔𝑔 )𝑑𝑚𝑓
Ec. 1.3
La cual debe ser igual a cero en el punto de equilibrio. Obteniendo:
𝑔𝑓 = 𝑔𝑔
Ec. 1.4
Las dos fases de una sustancia pura se encuentran en equilibrio cuando cada fase
tenga el mismo valor de una función específica de Gibbs, como se muestra en la figura
1.1. En el punto triple las funciones específicas de Gibbs de las tres fases son iguales
entre sí. (Yunus A. Cengel, 2009)
Figura 1.1 Mezcla líquido - vapor en equilibrio a temperatura y presión constantes.
1.1.1 EQUILIBRIO DE FASES PARA UN SISTEMA MULTICOMPONENTE.
En un sistema multifase y multicomponente determinado bajo una presión y
temperatura especificadas, se encuentran en equilibrio de fases cuando no existe
una fuerza impulsora entre las diferentes fases de cada componente, al no existir
14
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
esta fuerza los componentes no sufre ningún cambio tanto de fase, como físico
o químico, por lo tanto para lograr el equilibrio de fases, se utiliza la función
específica de Gibbs donde cada componente debe ser igual para todas las fases.
Esto es:
𝑔𝑓,1 = 𝑔𝑔,1 = 𝑔𝑠,1 para componente 1
Ec. 1.5
𝑔𝑓,2 = 𝑔𝑔,2 = 𝑔𝑠,2 para componente 2
Ec. 1.6
……………………
𝑔𝑓,𝑁 = 𝑔𝑔,𝑁 = 𝑔𝑠,𝑁 para componente N
Ec. 1.7
Algunos componentes pueden existir en más de una fase sólida bajo una presión
y temperatura específicas, la función específica de Gibbs de cada fase sólida de
un componente debe ser la misma para lograr el equilibrio de fase. Se puede
mencionar que las dos fases de un sistema de dos componentes no tienen la
misma composición en cada fase, la composición molar de cada componente
difiere cuando éste se encuentra en fases diferentes. (Yunus A. Cengel, 2009)
1.1.2.- SISTEMAS TERMODINÁMICOS
La rama de la Física conocida como Termodinámica es la que se encarga de
estudiar las transformaciones que ocurren en las distintas fases de la materia en
general cuando ocurren cambios de temperatura o de presión. Un sistema
termodinámico ésta constituido por cierta cantidad de materia o radiación en una
región del espacio, implicados en un proceso que ésta bajo un estudio en
específico, por lo que este material podría ser el contenido de un recipiente con
los reactivos, una disolución de electrolitos con una celda electroquímica, o el
conjunto formado por el cilindro y el pistón móvil de un motor, claros ejemplos
15
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
dentro del trabajo de un ingeniero, por lo que se puede mencionar el concepto de
frontera la cual significa que es la región que separa al sistema del resto del
universo físico.
Con respecto a la frontera que determina a un sistema del resto del universo o
ambiente físico que lo rodea, ésta constituida por las paredes del recipiente que
contiene a los componentes ya sea en un sistema de fluidos o radiación
electromagnética, no obstante podría ser su superficie exterior como un trozo de
metal o una membrana superficial. Sin embargo, puede darse el caso de que la
frontera del sistema sea una superficie abstracta, representada por una porción
de masa de fluido en movimiento o en reposo. El observador es el personaje
principal pues es quien determina tanto el sistema termodinámico y sus fronteras.
Si se conoce las fronteras del sistema de igual manera se debe estar al tanto de
cómo son sus alrededores, ya que la interacción de este con el sistema estará
caracterizada por los intercambios que existirán entre ellos con respecto a la
masa y energía que se hallaran en sus diversas formas, el grado de relación con
sus alrededores dependerá de la naturaleza de sus paredes.
 Paredes adiabáticas: no permiten que un sistema modifique su grado
relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel
comercial son ejemplos de materiales con esta propiedad.
 Paredes diatérmicas: permiten interacciones que modifiquen el grado
relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen
excelentes paredes diatérmicas.
Con respecto a las paredes que se mencionaron, si en un sistema puede
intercambiar materia o energía con el medio que lo rodea, se le denomina como
sistema abierto; si sus características son paredes impermeables y el nulo
16
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
intercambio de componentes con sus alrededores y su masa permanece
constante, se le conoce como sistema cerrado.
En los dos sistemas mencionados (abierto y cerrado) si se puede intercambiar
energía en el medio ambiente. El sistema que no pueden intercambiar materia ni
energía y ninguna interacción con el medio que los rodea se denomina sistema
aislado. La interfase entre el sistema y el medio que los rodea se denomina límite.
Los límites determinan si se puede transferir energía y masa entre el sistema y
el medio ambiente, dando lugar a la distinción entre sistemas abiertos, cerrados
y aislados. (Thomas Engel, 2007)
1.1.3.- ECUACIONES DE ESTADO
En termodinámica existen relaciones entre las variaciones de las diversas
magnitudes físicas y químicas que deben ser tomadas en cuenta en las distintas
reacciones que presente en su sistema, las relaciones directas entre las
magnitudes son las ecuaciones de estado o las ecuaciones fundamentales
creando una relación a partir de dos o más propiedades.
En un sistema de un solo componente y de una fase, la ecuación de estado
incluirá tres propiedades, dos de las cuales pueden ser consideradas como
independientes, otro caso por mencionar sería en un sistema cerrado el cual
posee ciertos valores de sus variables como el volumen V, presión P y
temperatura T constantes en todo el sistema, al hacer referencia de las anteriores
propiedades se llega a la conclusión que el tercero es función de los otros dos.
𝐹(𝑃, 𝑉, 𝑇) = 0
Ec. 1.8
Cada sustancia posee una ecuación de estado térmica que por lo general, es
muy difícil de obtener; en algunos casos se presentan formas relativamente
sencillas, pero otras muy complejas: la más sencilla y la mejor conocida para las
17
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado de gas ideal, la cual
predice el comportamiento de P-v-T de un gas con bastante exactitud, dentro de
una región adecuada. Se ha estudiado el comportamiento con un termómetro de
gas con el cual se encuentra experimentalmente que todos los gases, a baja
presión y lejos de la región de la línea de condensación, se comportan de la
misma manera en lo que se refiere a la temperatura siempre y cuando en el
sistema no tengan lugar reacciones químicas. Si se utiliza como propiedad
termodinámica el producto PV de una masa fija de gas, se apreció que cuando
se usa diferentes gases aparecen solamente diferencias pequeñas entre las
temperaturas indicadas, sin embargo en la práctica no se suele utilizar el producto
PV ya que se mantiene constante V y se usa a P como propiedad termodinámica,
o viceversa. (Mulero & Cachaduña, 2004)
Existen bastantes ecuaciones de estado que se han recomendado para conocer
y estudiar el comportamiento no ideal de un gas, este comportamiento aparece
cuando la presión es relativamente alta, para la mayoría de los gases sería de 4
MPa; o cuando la temperatura es próxima a la de saturación.
De igual forma las ecuaciones de estado son útiles para describir las propiedades
de los fluidos, mezclas, sólidos e inclusos del interior de las estrellas, cada
sustancia o sistema hidrostático tiene una ecuación de estado característica
dependiente de los niveles de energía moleculares y sus energías relativas. El
uso más importante de una ecuación de estado es para predecir el estado de
gases y líquidos, una de las más simples para este propósito es la ecuación de
estado de los gases ideales, que es aproximable al comportamiento de los gases
a bajas presiones y temperaturas mayores a la temperatura crítica.
La ecuación de estado de los gases ideales realiza las siguientes
aproximaciones:
1. Considera que las moléculas del gas son puntuales, es decir que no
ocupan volumen.
18
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
2. Considera despreciables a las fuerzas de atracción-repulsión entre las
moléculas.
Esta ecuación no tiene buena correlación con el comportamiento de los gases
reales, al considerar el volumen molecular y las fuerzas de atracción-repulsión
despreciables, no es fiable cuando el volumen es pequeño o la temperatura es
baja, ya que los valores que se despreciaron influyen más. Es por eso que se
utiliza a altas temperaturas y bajas presiones. En general el criterio utilizado es
que se puede utilizar dicha ecuación cuando la temperatura a la que se está
trabajando es superior a dos veces la temperatura crítica del compuesto.
(Castellan, 1974-1987)
En la siguiente tabla aparecen algunas ecuaciones de estado de uso más común.
Tabla 1.1 Ecuaciones de estado para 1 mol (Himmelblau, 2002).
Ecuaciones de estado para 1 mol
𝑎
(𝑝 + 2 ) (𝑉 − 𝑏) = 𝑅𝑇
𝑉
27 𝑅 2 𝑇𝑐2
𝑎 = (64)
Van de Waals
𝑃𝑐
Ec. 1.9
1 𝑅𝑇𝑐
𝑏=8
Peng-Robinson
𝑝=
𝑃𝑐
𝑅𝑇
𝑎∝
−
𝑉 − 𝑏 𝑉(𝑉 + 𝑏) + 𝑏(𝑉 − 𝑏)
𝑎 = 0.45724 (
𝑅 2 𝑇𝑐2
)
𝑃𝑐
𝑅𝑇𝑐
𝑏 = 0.07780 (
)
𝑃𝑐
⁄
∝= [1 + 𝐾(1 − 𝑇𝑟1 2 )𝐽2
𝐾 = 0.37464 + 1.5422𝜔 − 0.26992𝜔2
𝜔 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
19
Ec. 1.10
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Tabla 1.1 Ecuaciones de estado para 1 mol
Ecuaciones de estado para 1 mol
Soave- Redlich-Kwong
𝑝=
𝑅𝑇
𝑎′ 𝜆
−
𝑉 − 𝑏 𝑉(𝑉 + 𝑏)
0.42748𝑅 2 𝑇𝑐2
𝑎 =
𝑃𝑐
′
𝑏=
Ec. 1.11
0.08664𝑅𝑇𝑐
𝑃𝑐
1
𝜆 = [1 + 𝑘′(1 − 𝑇 2 𝑟]2
𝑘 = (0.480 + 1.574𝜔 − 0.176𝜔2 )
Redlich-Kwong
𝑝=
𝑅𝑇
𝑎
− 1
(𝑉 − 𝑏) 𝑇 ⁄2 𝑉(𝑉 + 𝑏)
𝑅 2 𝑇𝑐2.5
𝑎 = 0.42748
𝑃𝑐
𝑏 = 0.08664
Ec. 1.12
𝑅𝑇𝑐
𝑃𝑐
La primer ecuación cúbica de estado es la de Van der Waals creada en 1873, en
esta a y b son constantes, cuando son cero se obtiene la ecuación de los gases
ideales, pueden evaluarse mediante un ajuste de los datos de presión,
temperatura y volumen disponibles en el problema. Permite justificar los cambios
de estado con referencia a la energía mínima que se esté utilizando, está
igualdad no proporciona los valores específicos, son razonables y se pueden
determinar porque se conocen las temperaturas y presiones críticas, pero los
resultados son una estimación, por lo que para un resultado especifico no da
confiablidad.
Lo que sigue es, en su mayor parte, una reelaboración de las recomendaciones
realizadas por G. J. Suppes del Departamento de Ingeniería Química de la
Universidad de Missouri-Columbia para la selección de la metodología de cálculo
del equilibrio líquido - vapor o líquido - líquido (ELL)
20
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Cuando la temperatura reducida de la mezcla, calculada como Tr = T /  zi Tci,
es mayor que 0,75 y no se prevén fases líquidas inmiscibles, se debe usar una
ecuación de estado como Soave- Redlich-Kwong o Peng-Robinson, privilegiando
aquellas que cuentan con datos experimentales en la base de datos del
simulador. De acuerdo a Hyprotech, es preferible utilizar Peng-Robinson a
Soave- Redlich-Kwong, aunque existen opiniones en contrario.
El desarrollo moderno de las ecuaciones de estado comenzó en 1949 con la
publicación de la ecuación de Redlich-Kwong, sus constantes se obtienen de la
misma forma que la de Van der Waals, por lo que no proporciona los mejores
valores posibles, pero ellos son razonables y casi siempre pueden determinarse.
(Himmelblau, 2002)
Las ecuaciones de estado se utilizan para determinar entalpías, presiones,
volúmenes y otras propiedades termodinámicas, la elección de cada una de ellas
depende de la presión que se requiera y de las condiciones de operación en las
que se trabaje.
Para el cálculo de los coeficientes de actividad existen varias alternativas:
 Ecuación de Wilson
 Ecuaciones de Margules
 Modelo Non Random Two Liquids (NRTL)
 Modelo Universal Quasi Chemical (UNIQUAC)
 Modelo Uniquac Funtional Group Activity Coefficient (UNIFAC)
El modelo que se utilizó para la simulación es el NRTL ya que es muy útil para
las mezclas orgánicas con presencia de agua y para las mezclas binarias, elimina
limitaciones para el equilibrio líquido – líquido, es capaz de representar el
comportamiento de los equilibrios líquido – líquido, líquido – vapor y líquido –
21
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
líquido – vapor. Es consistente termodinámicamente y puede aplicarse a
sistemas ternarios y de orden superior usando parámetros obtenidos por la
regresión de datos del equilibrio binario. (Henley, 1988)
La ecuación de estado NRTL describe el equilibrio líquido - vapor para la mezcla
etanol-agua (Quintero, 2007), observando así el mismo comportamiento en la
figura 1.2.
Figura 1.2 Datos de equilibrio para la mezcla etanol-agua.
1.1.4.- AZEÓTROPOS
La mezcla que se estudia en el presente trabajo tiene una característica particular
ya que es una mezcla azeotrópica, para empezar a hablar de ella se debe definir
en qué consiste. Un azeótropo es una mezcla de dos o más líquidos, de tal forma
que una simple destilación no puede alterar sus componentes, en términos
comunes esto sucede cuando se hierve un azeótropo y el vapor tiene las mismas
proporciones de los componentes en la mezcla sin hervir. (Costa, 2005)
Debido a la composición que poseen estas mezclas no se pueden modificar por
una destilación simple, también se les llama mezclas de punto de ebullición
constante, porque las sustancias que conforman la mezcla llegan a tener un
punto de ebullición igual sin permitirles separarse por medio de este método.
22
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Existen diferentes tipos de azeótropos pues las diferencias son sus puntos de
ebullición y el tipo de mezcla que lleguen a formar esto por las sustancias que se
combinan. Como cada azeótropo tiene un punto de burbuja particular no poseerá
el mismo que cualquiera de sus componentes por lo que será igual, menor o
mayor que esas temperaturas.
 Azeótropos positivos: este tipo de azeótropo hierve a una temperatura
más baja que cualquier de sus constituyentes, también se llaman mezclas
de ebullición mínimos donde hace referencia a la disminución del punto de
burbuja o azeótropos de presión máxima, ya que a mayor presión menor
temperatura, esto por la presión que se ejerce en el destilador.
 Azeótropos negativos: en este caso hierve a una temperatura más alta que
cualquiera de sus constituyentes, también se llaman mezclas máximas de
ebullición o azeótropos de presión mínima.
 Azeótropo homogéneo: es cuando la composición azeotrópica es fuera de
la falta de miscibilidad o de los componentes de las mezcla son
completamente miscibles con el tipo de azeótropo.
 Azeótropo heterogéneo: es cuando los componentes de la mezcla no son
completamente miscibles.
 Otra de las clasificaciones es por el número de componente como por
ejemplo: si son dos componentes se denomina azeótropos binarios, si
constan de más de tres componentes son llamados azeótropos ternarios.
Para la síntesis de cada una de las mezclas y la designación de una columna de
destilación se deben de conocer los puntos más importantes del compuesto
azeotrópico, existen más de 500 mezclas azeotrópicas y sistemas binarios y
terciarios medidos a presiones de 3.5 bares en una banda de columnas, algunos
23
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
ejemplos se muestran en las tablas 1.2, 1.3 y 1.4 Los sistemas azeotrópicos no
pueden separarse por una destilación simple, para lograrlo se realiza una
destilación más compleja llamada destilación extractiva, la composición de los
azeótropos para los sistemas binarios han sido publicados por varios autores
enmarcados a funciones de temperaturas y con respecto a los sistemas ternarios
se basan con un sistema triangular, para la experimentación de los datos
azeotrópicos se han comparado gráficamente con los resultados predichos por
diferentes grupos que contribuyeron con métodos para la UNIFAC (Hansen et al.,
1991). Los investigadores para obtener la separación más purificada utilizaron
diferentes técnicas como la cristalización, extracción y la destilación; con la ayuda
de tamices moleculares, esto para la destilación extractiva, otra forma para
purificar son por medio de un cromatógrafo de gas, en algunos casos químicos
por el grado de purificación se obtiene cerca del 99.8%. (Bölts, 1996)
Tabla 1.2 Información azeotrópica para sistemas binarios seleccionados.
Componente 1 + componente 2
t/°C
P/KPa
Acetonitrilo + 2-propanol
33.30
19.66
Acetona - Éter isopropil
29.30
40.31
Acetona + 1-hexeno
28.90
46.42
Acetona + metanol
54.70
99.28
Acetona + tetraclorometano
21.90
26.53
Acetona + tetrahidrofurano
31.20
40.09
Acetona - propilbromuro
33.80
32.74
Etanol - benceno
67.80
100.42
Etanol - florurobenceno
31.50
19.89
acetato de etilo + butanona
33.75
20.05
2-butanol - etilbenceno
30.40
3.82
Benceno + heptano
24.80
12.89
2-butanona - dipropileter
34.80
19.77
24
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Tabla 1.2 Información azeotrópica para sistemas binarios seleccionados.
Cloroformo + metanol
54
103.55
Ciclohexano + propilacetato
34.50
19.76
Metilciclohexano – 3-pentanona
30.65
9.52
Metilciclopentano – 2-propanol
30.20
26.65
Metilciclopentano – 1-propanol
41.90
26.65
Diclorometanol - etanol
27.20
12.76
acetato de metilo + ciclohexano
32.10
40.03
Metanol + florurobenceno
28.80
26.55
Pentano + metanol
24.40
79.91
Tetrahidrofloruro + agua
63.25
100.93
Tetracloroetileno + octano
30.40
3.36
1-pentano + metanol
26.90
102.47
Tabla 1.3 Información azeotrópica para sistemas ternarios seleccionados. (Bölts,
1996)
Componente
1
+
componente
2
+
t/°C
P/PKa
componente 3
Acetona + metanol + etanol
99.28
Acetona + metanol + beceno
99.04
Acetona + metanol + ciclohexano
51.90
103.35
Acetona + metanol + hexano
30.80
53.20
Etanol + acetonitrilo + agua
55.30
52.57
Acetona + etanol + benceno
100.42
Etanol + 2-butanona + ciclohexano
30.90
26.17
Etanol + 2-butanona + agua
39.20
26.03
Etanol + 1,2-dicloroetano + tricloroetileno
31.40
20.37
Etanol + agua + etilbenceno
35.50
14.54
Benceno + ciclohexano + 2-metil-2-propanol
29.60
19.74
Cloroformo + metanol + etanol
103.55
25
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Tabla 1.4 Lista de ejemplos de mezclas azeotrópicas con su respectivo disolvente
para la separación de la misma por el método de destilación extractiva.
SISTEMA
Etanol-agua
Benceno-ciclohexano
TIPO
DISOLVENTE
RESEÑA
Azeótropo de mínimo punto
Etilen-glicol,
de Ebullición
acetato
azeotrópica,
Para procesos con sal
extractiva
Azeótropo de mínimo punto
sales
de
Alternativa a la destilación
destilación
Anilina
de Ebullición
Acetato de etilo-etanol
THF-agua
Azeótropo de mínimo punto
Esteres altos o alcoholes
Proceso similar para otros
de Ebullición
Aromatices
sistemas alcohol-ester
Azeótropo de mínimo punto
Propilen-glicol
Alternativa a la destilación
de Ebullición
Acetona-metanol
por variaciones de presión
Azeótropo de mínimo punto
Agua, anilina, etilen-glicol
de Ebullición
Isopropeno-pentano
Azeótropo de mínimo punto
Furfural, DMF. Acetonitrilo
de Ebullición
Piridina-agua
Azeótropo de mínimo punto
Bisfenol
de Ebullición
Acetato de metilo-metanol
Azeótropo de mínimo punto
Etilen-glicol, monometil éter
de Ebullición
Elemento de un sistema de
recuperación
como
alternativa a la producción de
acetato
de
metilo
destilación
por
reactiva;
alternativa a la destilación
azeotrópica, por variación de
presión
Isómeros
de
heptano-
ciclohexano
Isómeros
Puntos
de
ebullición
Anilina, fenol
de
ebullición
Anilina, fenol
cercanos
de
heptano-
tolueno
Puntos
cercanos y azeótropos de
minino punto de ebullición
Acetato de vinilo-acetato
Puntos
de etilo
cercanos
Propano-propileno
Puntos
de
ebullición
Fenol, aromáticos
Alternativa a la destilación
simple
de
ebullición
Acrilonitrilo
Alternativa a la destilación
cercanos
Etanol-isopropanol
Puntos
simple
de
ebullición
Benzoato de metilo
Alternativa a la destilación
cercanos
Ácido clorhídrico-agua
simple
Azeótropo de máximo punto
Ácido
sulfúrico,
cloruro
Los
procesos
de
ácidos
de ebullición
cálcico
sulfúrico
Para procesos salinos
Depende n fuertemente de la
curvatura del limite
Ácido nítrico-agua
Azeótropo de máximo punto
Ácido sulfúrico, nitrato de
Los
de ebullición
Magnesio
sulfúrico
salinos
para
procesos
procesos
ácidos
Dependen
fuertemente de la curvatura
del limite
26
de
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
1.2.- OPERACIÓN UNITARIA DE DESTILACIÓN
La destilación es un método para separar los componentes de una solución; depende
de la distribución de las sustancias entre una fase gaseosa y una líquida, y se aplica
en los casos donde todos los componentes están presentes en las dos fases. En lugar
de introducir una nueva sustancia en la mezcla, con el fin de obtener la segunda fase
la nueva fase se crea por evaporación o por condensación a partir de la solución
original de los componentes de una solución líquida.
La destilación se refiere a separar soluciones en la cual todos los componentes son
apreciablemente volátiles, a esta categoría corresponde la separación de los
componentes de una solución líquida, la nueva fase difiere de la original por su
contenido calorífico, pero el calor se incrementa o se elimina sin dificultad, se debe de
considerar el costo de aumentarlo o disminuirlo por las consecuencias que le traería a
la mezcla.
La destilación se lleva a cabo mediante dos métodos principales que ayudan a obtener
una mayor pureza, el primero se basa en la producción de vapor mediante la ebullición
de la mezcla líquida que se desea separar y condensación de los vapores sin permitir
que el líquido retorne al calderín, esto quiere decir que mediante el proceso no existe
reflujo.
El segundo método consiste en el retorno de una parte del condensado a la columna,
una de las condiciones es que el líquido que se retorna se pone en íntimo contacto con
los vapores que ascienden hacia el condensador.
27
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
1.2.1.- CARACTERÍSTICAS DE LA DESTILACIÓN.
Los procesos de destilación continúan en estado estacionario incluyen con una
vaporización parcial en una sola etapa sin reflujo en la cual está la destilación
flash y la destilación continua.
 Destilación flash: Consiste en la vaporización de una fracción definida del
líquido, en una forma tal que el vapor que se forma está en equilibrio con
el líquido residual como se muestra en la figura 1.3.
Figura 1.3 Planta para una destilación flash
 Destilación continúa de reflujo: Se utiliza para la separación de
componentes que tienen temperaturas de ebullición muy diferentes, no es
eficaz en la separación de componentes de volatilidad comparable, puesto
que tanto el vapor condensado como el líquido residual distan mucho de
ser componentes puros. Utilizando muchas destilaciones sucesivas se
pueden obtener pequeñas cantidades de componentes prácticamente
puros, pero este método es muy poco eficaz para las destilaciones
28
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
industriales porque estas desean separaciones en componentes casi
puros. (Warren L. McCabe, 1995)
Figura 1.4 Columna de fraccionamiento continúo con secciones de
rectificación y agotamiento
 Destilación extractiva: es una de las técnicas más utilizadas en la industria
por los bajos consumos energéticos que tiene esta operación unitaria,
acompañado de los competentes costos de inversión inicial y de operación
hacen de la destilación extractiva una tecnología atractiva para deshidratar
etanol como el modelo de la figura 1.5.
Figura 1.5 Diagrama esquemático de la destilación extractiva
En algunas plantas se recuperan productos volátiles a partir de una disolución
líquida por la destilación discontinua, el proceso es el siguiente: se carga en un
calderín y se le comunica calor por medio de un serpentín o a través de la pared
29
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
del recipiente hasta que el líquido alcanza la temperatura de ebullición y después
una parte de la carga se vaporiza. Todo ocurre de una forma tan sencilla durante
la operación ya que los vapores pasan directamente desde el calderín hasta el
condensador.
 Destilación discontinua con reflujo: en muchos casos se utiliza
una
columna de rectificación con reflujo para mejorar la eficacia de un
destilador discontinuo, si la columna no es demasiado grande se puede
instalar sobre la parte superior del calderín, o bien puede acoplarse
independientemente por medio de las tuberías de conexión para las
corrientes de líquido y vapor. Estas columnas pueden ser analizadas por
un diagrama de McCabe-Thiele.
1.2.2.- OPERACIONES INDUSTRIALES Y COMPONENTES DE LAS TORRES
DE DESTILACIÓN
Para poder obtener un etanol más puro se han realizado diversa técnicas de
estudio, para poder utilizarlo como carburante en la gasolina ya que en la mezcla
etanol – gasolina debe contener la menor cantidad de agua evitando así la
generación de problemas en la operación del motor. Entre las principales
tecnologías para la deshidratación del etanol se encuentran la destilación al
vacío, adsorción por tamices moleculares, destilación azeotrópica y la destilación
extractiva.
En la destilación extractiva actúa un tercer componente para separar una mezcla
binaria difícil de separar por una destilación convencional. Este tercer
componente se conoce como solvente y se caracteriza por ser no volátil, miscible
y de alto punto de ebullición, hablando ahora de la mezcla etanol - agua y
considerando que es una mezcla azeotrópica cumple también una destilación
azeotrópica ya que se encuentran como sus principales solventes el etilenglicol
y la glicerina los cuales satisfacen con las anteriores propiedades.
30
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Algunos procesos industriales en los que se usan:
 Industria alimentaria. Extracción de aceites y grasas de ciclohexano y
sulfuro de carbono.
 Industria siderúrgica. Limpieza y desengrasado de piezas tricloroetileno y
cloruro de metileno. Refrigeración en procesos de corte hidrocarburos
alifáticos.
 Industria del calzado. Como disolventes de colas y pegamentos mezcla de
hexanos.
 Industria de plásticos y caucho. Como disolvente de materias primas y de
transformación dimetilformamida, cloroformo, acetona.
 Industria de la madera. Como disolventes de lacas y barnices trementina,
tolueno.
 Industria cosmética. Como dispersante alcohol etílico, alcohol isopropílico,
cloroformo.
 Industria farmacéutica. En síntesis de fórmulas.
 Industria de pintura. Como diluyente tolueno, acetatos, cetonas, etc.
 Limpieza
en
seco.
Como
disolvente
de
sustancia
orgánica
tetracloroetileno.
 Artes gráficas. En las imprentas en la limpieza de rodillos y máquinas.
Una columna de destilación (figura 1.6) está compuesta en su interior de platos,
en cada uno de los cuales ocurre un equilibrio líquido – vapor y se favorece la
transferencia de masa entre las dos fases, con el objetivo de que al llegar la
mezcla al domo de la torre, para que se tenga una mayor pureza del componente
ligero. Dentro de la torre existe un flujo de vapor que sube de plato en plato y un
flujo de líquido que proviene de la parte superior de la torre y desciende también
de plato a plato. En el domo de la torre existe un condensador, el cual tiene la
función de condensar el vapor que sale del domo de la torre, obteniendo así el
destilado. Una parte de este regresa a la torre para favorecer la transferencia de
masa entre las fases y mantener el flujo de líquido. A la relación entre el líquido
31
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
que regresa a la torre y el destilado que se toma como producto se le llama reflujo,
y es un parámetro de suma importancia para el diseño de la torre de destilación.
Figura 1.6 Diagrama de una torre de destilación
1.3 DESTILACIÓN EXTRACTIVA
1.3.1 SEPARACIÓN DE MEZCLAS AZEOTRÓPICAS
Existen sustancias que en ciertas proporciones forman mezclas llamadas
azeotrópicas que se caracterizan porque su vapor tiene la misma composición
que la fase líquida y que por tanto no se pueden separar por destilación. Un
ejemplo típico es la mezcla azeotrópica que estamos manejando formada por el
etanol y el agua con una composición de 95.6% de etanol y 4.4%agua, cuyo
punto de ebullición a una atmósfera es de 78.2 °C, la figura 1.7 representa el
comportamiento de la mezcla. Es necesario que los puntos de ebullición de los
componentes puros presentes en la mezcla estén lo suficientemente cercanos
para permitir la formación de un azeótropo.
32
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Figura 1.7 Diagrama del comportamiento de la mezcla etanol-agua.
Por la gran demanda que ha existido en la separación de mezclas azeotrópicas,
la principal de ellas etanol – agua y por el interés del primer componente como
gestor del aumento del octanaje en la gasolina, reducir las emisiones
contaminantes a la atmósfera y mejorar la eficiencia de la combustión, han
propiciado que se utilicen y se investiguen más métodos con los cuales se llegue
a un máximo porcentaje de pureza.
Algunas de las opciones que se han generado para la reducción del consumo
energético demandado por la deshidratación del etanol son:
 Destilación azeotrópica: en este tipo de destilación se aprovecha la adición
de un agente de separación que modifique las condiciones de la mezcla
azeotrópica, estos agentes son utilizados para separar los componentes
que la conforman, la efectividad corresponde en el aprovechamiento que
tengan para lograr la separación de las fases. El agente de separación se
selecciona con criterios económicos, de baja toxicidad, de eficiencia en la
separación y de conservación de la energía.
 Destilación al vacío: Es una de las primeras técnicas utilizadas para
eliminar el azeótropo etanol - agua, aprovechando el efecto conseguido al
disminuir la presión del sistema y así obtener etanol, para obtener un
33
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
producto de alta pureza es necesario utilizar columnas de deshidratación
con un gran número de etapas y con altas relaciones de reflujo, incurriendo
en elevados consumos energéticos y altos costos de construcción de la
torre.
 Destilación extractiva con solventes: método de separación de azeótropos
binarios de mínimo punto de ebullición, y ocurre en presencia de una
sustancia de alto punto de ebullición, llamada solvente, la cual es
completamente miscible con los componentes de la mezcla binaria en
todas las proporciones y no forma azeótropos adicionales, se adiciona a
la mezcla para alterar las volatilidades relativas de los componentes de la
mezcla. Las características más importantes de un solvente son:
 Debe afectar el comportamiento de la fase líquida de los componentes
claves.
 Debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a
separar y ser relativamente no volátil, para asegurar su permanencia
en la fase líquida.
 No debe formar azeótropos con los componentes de la mezcla a
separar.
 Debe tener baja viscosidad, baja toxicidad y bajo costo.
 Destilación con sal: en este método se adiciona sal iónica, soluble y no
volátil, para modificar el comportamiento de la fase líquida de la mezcla a
separar. En la deshidratación del etanol se han utilizado las siguientes
sales: cloruro de calcio, cloruro de potasio, cloruro de cobalto (II), cloruro
cúprico, cloruro de níquel (II), bromuro de estroncio, acetato de sodio,
acetato de potasio, nitrato de calcio, yoduro de sodio y yoduro de potasio
 Destilación extractiva con sal y solvente: surge como una alternativa para
la obtención de productos de alta pureza, características:
34
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Se mejora el desempeño del solvente, comparado con la destilación
extractiva ya que la cantidad de solvente a recircular se reduce a una
cuarta parte, el número de etapas baja a una tercera parte, así como
el consumo energético y el costo de equipos también descienden de
manera importante.
 Permite la operación continua dada la alta eficiencia y el bajo
desperdicio del solvente.
 Se obtiene un producto de mayor limpieza
 Se incrementa la volatilidad relativa del sistema, comparada con el
efecto producido por cada uno de los agentes de manera
independiente.
 Adsorción con tamices moleculares: son sustancias granulares de forma
cilíndrica o esférica denominadas zeolitas, que pueden ser naturales o
fabricados a partir de aluminosilicatos de potasio, se caracterizan por su
excelente capacidad para retener sobre su superficie tipos definidos de
especies químicas, por lo general estas especies químicas son solventes
que se desean retirar de una mezcla para la obtención de un producto
final, el proceso de separación por tamices moleculares puede operar en
fase líquida o vapor.
 Pervaporación: es un proceso de separación relativamente nuevo en el
que se remueven compuestos orgánicos volátiles de mezclas acuosas por
evaporación, a través de una membrana que tiene elementos en común
con la ósmosis inversa y la separación de gases. Una de las principales
ventajas de este proceso es que el alcohol obtenido está exento de
agentes de separación, lo que amplía su aplicación a productos
alimenticios y farmacéuticos.
35
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Procesos híbridos: son tecnologías para mejor la deshidratación del
etanol, en este proceso se integra la destilación con la pervaporación.
(Uyazán, Aguilar, Rodríguez, & Caicedo, 2004)
1.3.2 VARIACIÓN DEL EQUILIBRIO POR AGENTES MÁSICOS DE
SEPARACIÓN
Para la separación de la mezcla azeotrópica etanol – agua se pueden utilizar
diferentes solventes entre los cuales se encuentran glicoles, aminas, fenoles
hidrofóbicos, parafinas, tiofenos y sales. Para realizar esta operación unitaria de
los componentes con una pureza máxima
se deben tomar en cuenta las
condiciones con las que deben entrar a la columna de destilación como por
ejemplo el flujo del alimento, del solvente y la obtención del destilado así como la
fracción molar del etanol que se obtiene para conocer su composición, las
temperaturas a las que serán sometidas, el reflujo molar, los numero de etapas
teóricas que se tomaron en cuenta en la simulación, la etapa en donde ira el
alimento, la presión con la que se trabajara, la etapa de alimento del solvente, la
relación que exista entre el solvente y el alimento, de igual forma el consumo
energético. En general se puede mencionar que la relación de reflujo no es una
variable determinante en la composición de destilado en comparación con el
gasto energético. Las temperaturas de entradas deben ser inferiores a los 90 °C
para favorecer la operación de reflujo con el fin de seguir manteniendo la relación
etanol – agua. (Uyazán, Aguilar, & M, 2006)
1.3.3 SOLVENTES EMPLEADOS EN LA DESTILACIÓN EXTRACTIVA
La separación de mezclas azeotrópicas en fracciones de elevada pureza
constituye uno de los problemas técnicos y económicos más importantes y
retadores de la industria de procesos químicos. Las políticas ambientales como
la entrada en vigencia a partir del mes de Septiembre de 2005, de la Ley 693 de
2001 del Ministerio de Minas y Energía de Colombia, donde se reglamenta que
36
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
la gasolina debe poseer un contenido del 10% en volumen de etanol, el cual por
limitaciones técnicas la cantidad de agua debe ser de muy bajo contenido, obligan
a desarrollar procesos rentables para la producción de etanol.
Las mezclas etanol-gasolina, poseen una baja tolerancia al agua, la cual
disminuye al incrementar el porcentaje de etanol o la temperatura. Si la
temperatura del motor de un vehículo baja y se sobrepasan los valores máximos
permitidos de contenido de agua se forman dos fases y se comienzan a generar
problemas en el funcionamiento del motor. En este sentido, la producción de
etanol se convierte en una prioridad a nivel ambiental, tecnológico y económico.
La separación del sistema etanol-agua se hace con destilación azeotrópica,
usando benceno, pentano o dietil éter como solventes, o mediante destilación
extractiva empleando etilenglicol o gasolina; estas tecnologías, sin embargo,
involucran altos costos de capital y de operación. El uso del pentano, por ejemplo,
es efectivo pero requiere altas presiones, mientras que con etilenglicol la
proporción del solvente en el alimento es demasiado alta, normalmente 5:1, lo
que incrementa el consumo energético; además el etilenglicol aunque es muy
factible, es de difícil manejo por su toxicidad, ya que causa irritación de ojos, nariz
y garganta, la exposición repetida puede causar daños a los riñones y al cerebro;
por otra parte, éste es un líquido combustible cuyo punto de inflamabilidad es
111ºC y al incendiarse produce gases venenosos; además esta sustancia debe
tratarse como un teratógeno, es decir, un agente ambiental que causa anomalías
morfológicas cuando hay exposición entre la tercera y la novena semana de
gestación. Para romper o desplazar el azeótropo también se puede aprovechar
el efecto salino, el cual se presenta cuando una sal se disuelve en una solución
de líquidos y altera el equilibrio termodinámico, e incluso puede afectar la
solubilidad del sistema.
Generalmente, dado que la sal es un componente no volátil, sólo está presente
en la fase líquida mientras que el vapor en equilibrio tiene la mayor concentración
37
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
del componente en el cual la sal es menos soluble. Los iones de la sal tienen
tendencia a aglomerarse preferencialmente con moléculas de los componentes
más polares, por eso la selectividad y la magnitud del efecto de la sal sobre la
composición de la fase vapor depende de la diferencia de solubilidades
individuales de la sal con los componentes líquidos. En la década de los 30’s,
aparece como alternativa el proceso HIAG (licenciado por DEGUSSA en
Alemania) que se implementó en cerca 100 plantas con capacidades de
producción superiores a 43000 ton/año; este proceso utilizaba una mezcla 70/30
de KCOOCH3 y NaCOOCH3 como agente de separación para romper el
azeótropo, pero el problema de corrosión en los equipos, generado por el manejo
de las sales, lo han ido desplazando de la producción industrial. Con el tiempo,
se han utilizado nuevas sales y solventes buscando hacer más factible el proceso
desde el punto de vista técnico y económico. Se debe comparar los costos
energéticos de los diferentes métodos (destilación azeotrópica, destilación
extractiva con solventes y destilación extractiva con sales) para obtener etanol y
así encontrar que la destilación extractiva puede presentar los requerimientos de
energía más bajos entre los sistemas comparados. (Colombia, 2006)
1.3.4.- TIPOS DE PLATOS (BUBBLE CAP, SIEVE, GLITSH BALLAST, KOCH
FLEXITRAY Y NUTTER FLOAT VALVE)
El contacto entre fases en operaciones con transferencia de masa se realiza a
través de diferentes formas, según la clase de equipo que se emplee.
Normalmente, los equipos para las operaciones gas – líquido permiten dos tipos
de contacto, por etapas y diferencial, cuyos ejemplos típicos son las columnas de
platos y las columnas empacadas, en su orden.
Las columnas de platos son cilindros verticales cuyos constituyentes esenciales,
son los platos, se diseñan con las dimensiones y características apropiadas para
que condiciones de operación específicas, esto se hace posible generalmente
entre las fases y volumen de los platos para fomentar el contacto íntimo, la
38
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
transferencia interracial y la separación de los fluidos. Además, la velocidad de
las corrientes del proceso debe ser tal que permitan un tiempo de contacto
adecuado, así como la generación de turbulencia suficiente para favorecer la
eficiencia de la operación, considerando limitaciones mecánicas como la caída
de presión. Las principales operaciones gas – líquido que se puede llevar acabo
en una torre de platos son: absorción, absorción reactiva, desorción, destilación,
destilación extractiva, destilación reactiva, condensación y enfriamiento. (Bernal
Daniel, 2011)
 BUBBLE CAP
Los bubbles cap (casquetes de burbujeo) comprenden un canal vertical dotado
de un extremo inferior situado dentro de una abertura en una placa del dispositivo
de distribución y extendiéndose a través de la misma, y un extremo superior que
define un paso entre los extremos, incluyendo el paso una entrada y una salida,
un casquete situado sobre el extremo superior del canal vertical, teniendo el
casquete una parte superior y una parte de faldón que se extiende de forma
descendente, y una caperuza separada, un paso queda definido entre la parte
superior y la parte inferior, y proporciona un medio de comunicación de fluido a
través de la placa de redistribución las características la define claramente la
figura 1.8 (a). Preferentemente, el casquete tiene una serie de ranuras separadas
entre sí para permitir el flujo de fluidos a través del casquete, pasando hacia
adentro de un elemento anular definido por el casquete y el canal vertical, un
casquete de burbujeo puede incluir también el deflector: puede tener cualquier
construcción deseada, y controla la dirección de la mayoría del fluido que pasa
hacia abajo desde el canal vertical, de manera que el fluido forma un modelo de
chorro relativamente ancho sobre el lecho catalizador de la parte de abajo; y las
válvulas del canal vertical: situadas entre el extremo superior del mismo y la parte
superior del casquete. Se crea un anillo (“anillo del casquete de burbujeo”) entre
el canal vertical y el casquete. Las válvulas del canal vertical están
preferentemente enrasadas con respecto a la cara inferior de la pared superior
del casquete de burbujeo. Las válvulas del canal vertical están separadas entre
39
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
sí formando pasos de válvula. Preferentemente, los pasos de válvula son los
únicos (o exclusivos) medios de comunicación de fluido entre el anillo del
casquete de burbujeo y el paso vertical (Figura 1.8 b). (Jacobs, Stupin, & Kuskie,
2008)
a
b
Figura 1.8 a) Esquema del plato Bubble cap
 SIEVE
b) Esquema del plato Bubble cap en la torre de destilación
 SIEVE
Las mallas moleculares o tamices moleculares son fabricados en dos tipos de
cristal, un cubo simple o un cristal tipo A y un cubo centrado en el cuerpo o cristal
tipo X. Un tamiz molecular es un material que contiene poros pequeños de un
tamaño preciso y uniforme que se usa como agente adsorbente para gases y
líquidos. Las moléculas que son lo suficientemente pequeñas para pasar a través
de los poros son absorbidas, mientras que las moléculas mayores no. A
diferencia de un filtro, el proceso opera a nivel molecular. Por ejemplo, una
molécula de agua puede ser lo suficientemente pequeña para pasar, mientras
que otras moléculas más grandes no pueden hacerlo. Aprovechando esta
propiedad, a menudo se emplean como agentes desecantes. Un tamiz molecular
puede adsorber hasta un 22% de su propio peso en agua, consisten de minerales
de aluminosilicatos, arcillas, vidrios porosos, carbones microporosos, zeolitas,
40
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
carbón activado o compuestos sintetizados que tienen estructuras abiertas a
través de las cuales pueden difundir moléculas pequeñas como las del agua o el
nitrógeno. Los tamices moleculares se usan ampliamente en la industria del
petróleo, especialmente para la purificación de corrientes de gas, y en los
laboratorios de química para separar compuestos y para el desecado de los
reactivos. Excelente para remover el ácido sulfúrico, CO2, altas temperaturas de
deshidratación,
líquidos
Más
que
costosos
la
hidrocarburos
sílica
gel,
pesados
pero
ofrece
y
alta
mayor
selectividad.
deshidratación.
Requiere altas temperaturas para regeneración, lo que resulta en un alto costo
de
operación.
Los
tamices
moleculares
deshidratadores
son
usados
comúnmente en las plantas diseñadas para recuperar etanol.
Aplicación:
 Deshidratar olefinas, metanol y etanol. Adsorbe NH3, H2O, (pero no
C2H6), para secar líquidos polares Diámetro: 3Å
 Deshidratar gases y líquidos, remover H2S. Adsorbe: H2O, CO2, SO2,
H2S, C2H4, C2H6, C3H6, etanol. No adsorbe C3H8 e hidrocarburos
superiores. Para secar líquidos y gases no polares. Diámetro: 4.2 Å
 Separar parafinas normales de cadenas ramificadas e HC cíclicas,
remover H2S. Adsorbe hidrocarburos normales (lineales) hasta n-C4H10,
alcoholes hasta C4H9OH, mercaptanos hasta C4H9SH. No adsorbe
isocompuestos o anillos mayores que C4. Diámetro: 5Å
 Remover mercaptanos y H2S, remover H2O y CO2 de una planta
alimentada de aire. Adsorbe di-n-butilamina (pero no tri-n-butilamina).
Útil para secar hexametilfosforamida. Diámetro: 10Å.
 GLITSH BALLAST
En la torre de diseño, se debe considerar los siguientes puntos cuando de
separaciones se trata:
41
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 La bandeja extra de espaciamiento generalmente es requerida en
bandejas de transición, es decir, donde un cambio en el número de
fases es contemplado. Una separación de cuatro pulgadas es
preferido, particular en grandes torres.
 Espacio extra que es requerida si la alimentación es vaporizada.
 El espacio extra debe ser proporcionado para establecer la parte
interna de los tubos de alimentación de líquidos si la torre tiene un
punto de carga máxima.
Es una válvula tipo bandeja similar a la bandeja "remache", utilizada por
primera vez 1922. Esto difiere desde otros tipos de bandejas, con tres
importantes aspectos. En primer lugar, dos etapas con una ranura como
apertura queda lugar a una sola etapa convencionalmente utilizada. Esté
proporciona permisos para un flujo de vapor que pasa a través todas las
válvulas de bajo de las tarifas y resultados en un amplia gama de operativos
con estables condiciones. En segundo lugar, el borde afilado acentúa la
turbulencia en la posición donde el vapor entra el líquido y genera
adicionalmente vapor - líquido interfacial en la zona para dar una alta
eficiencia en la bandeja. En tercer lugar, una pesada unidad es normalmente
usada en torres al vacío. Por la pesada cantidad de material aumenta la
presión al caer y de ese modo aumenta la eficiencia de la bandeja en el
operativo de la región donde las válvulas son totalmente abiertas como el
esquema de la figura 1.9.
Ventajas de bandejas de lastre puede ser resumido de la siguiente manera:
 Máxima eficiencia con bajas cargas y asegura una mínima cantidad de
apagado. El alto grado de flexibilidad hace que sea posible operar con
una mínima utilidad de gasto durante una gama de alimentación en las
tasas.
42
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Alta eficiencia en condiciones de 5 a 10 por ciento a continuación
incipiente resultados de capuchas para aumentar en capacidad
utilizable. Esto permite una manipulación más eficaz de la columna y
auxiliar equipo.
 Alta eficiencia en condiciones intermedias de carga, ya que puede ser
utilizado para mejorar la calidad del producto; para reducir la relación
de reflujo, lo que resulta un ahorro en los servicios públicos, o, para
reducir el número de bandejas.
 La combinación de una baja caída de presión y la alta eficiencia de los
sistemas de vacío significa una caída de presión de una torre baja. El
Glitsh Ballast se ha utilizado para separar la etilbenceno-sistema de
estireno en una sola columna. El diseño mecánico de la pestañas como
parte fundamental para prácticamente eliminar problemas donde se
pegue. El mantenimiento es la comodidad del trabajo porque es
mejorado debido a que el disco superior es suave y plana. Y las
proyecciones por encima de la bandeja son cubiertas. (Manual de
Diseño del Ballast Tray)
Figura 1.9 Esquema del plato Glitsh Ballast
 KOCH FLEXITRAY
Esta es la válvula estándar, redonda, de tamaño completo, de una sola pieza
que se ha utilizado con éxito en las columnas alrededor del mundo por más
de 50 años.
43
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
Flexitray maneja cargas de hasta un 10% más alta que las bandejas de tamiz
mientras que proporciona una mayor eficiencia. El agujero contorneada de la
válvula de tipo T0 proporciona la caída de presión más bajo por la bandeja en
una amplia gama de caudales Figura 1.10. (Flexitray Valve Trays, 2003)
 Se suministra en varias longitudes para dar cavidad a diferentes
plataformas de las bandejas de distintos espesores.
 Sus orificios normalmente son para ayudar a evitar que se pegue la
cubierta.
 El orificio se puede hacer para evitar que la válvula gire.
 El peso de las válvulas duales pueden usarse en filas alternas para
ampliar el rango de operación.
Características
 Mayor capacidad de bandejas de tamiz estándar
 Alta eficiencia
 Amplio rango de funcionamiento
 Baja caída de presión
 Rentable
Figura 1.10 Esquema del plato Koch Flexitray.
44
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 NUTTER FLOAT VALVE
Desde que Earl Nutter desarrolló la primera bandeja de la válvula moderna
en 1945, Nutter Ingeniería desarrolló continuamente una nueva bandeja
rentable con diseños, los cuales introdujeron a la industria, con un comercial
independiente de la escala pruebas como la figura 1.11. Desarrollado en los
años 70, el Flotador auto-retenido Valve y V-Grid que son bandejas con
válvulas fijas determinan un desempeño de la industria y el mantenimiento
normas oficiales. Las pruebas independientes en 1998 demostró la
superioridad del rendimiento de la Nutter Float Valve optimizando la bandeja.
Sulzer adquirió la innovadora bandeja de Nutter y el anillo de Nutter, con una
tecnología de ese mismo año para completar su transferencia de masa de
embalaje de una cartera de productos de componentes más eficientes. Una
bandeja convencional tiene uno o más tubos de descenso para transporte de
líquidos a la bandeja siguiente y una activa zona por donde pasa vapor y
líquido en contacto. Esta área activa puede estar equipada con una amplia
variedad de burbujeantes dispositivos. En la industria de hoy, los dispositivos
utilizados son predominantemente simples porque consisten en orificios de
tamiz, con movimiento y una fijación de las válvulas, dependiendo del rango
de operación requerida. Después de una evaluación que involucra una
aceptación industrial, el rendimiento técnico, referencias y precios, Sulzer
Chemtech eligió el rectangular Nutter Float Valve. Lo más factible es su
movimiento estándar y la válvula fija del plato Nutter. La cartera de válvula se
completa con la Metawa Snap-in válvula, predominantemente utilizado para
las bandejas de Shell, una robusta válvula redonda, así como una válvula
estándar redonda, que se utiliza principalmente para servicios de sustitución
para las Bandejas Sulzer Chemtech. (Roza, Nutter, & Chemtech, 2000)
Figura 1.11 Esquema del plato Nutter Float Valve
45
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
1.3.4.1.- CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS CONSIDERADAS
PARA LA ELECCIÓN DE PLATOS
Se consideran cinco características que presentan los platos durante las
corridas del simulador Aspen Plus las cuales son:
 Temperatura: se refiere a la intensidad de energía térmica en su totalidad
y con independencia en el tamaño del sistema, difiere fundamentalmente
de las magnitudes mecánicas, debido a que está relacionada con la
energía cinética de una gran cantidad de partículas. (Roller & Blum, 1996)
 Velocidad de flujo: es el volumen que pasa por un área determinada dada
en la unidad de tiempo, se identifica con el flujo másico o masa que pasa
por un área dada en la unidad de tiempo. (McCabe & Smith, 1981)
 Concentración: La concentración es la relación que hay entre la cantidad
de soluto y la cantidad de disolvente, donde el soluto es la sustancia que
se disuelve, el disolvente es la sustancia que se disuelve en el soluto y la
disolución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores.
A menor proporción de soluto disuelto en el disolvente, menos
concentrada está la disolución y a mayor porción más concentrada está.
(Jaramillo Sánchez, 2004)
 Hidráulica: En las corridas el simulador mide la presión en las tuberías con
respecto a la velocidad de flujo en cada etapa de la torre de destilación,
por lo que define el volumen del flujo que cruza por un punto dado en la
unidad de tiempo. (Fernández Boro, 2002)
 Exergía: Es un parámetro que mide la calidad de la energía, se emplea
para analizar la eficiencia energética de los procesos industriales. Con un
análisis de exergía se pueden comparar diferentes alternativas para
46
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
comprobar cual tiene mayor rendimiento energético, sin embargo no
proporciona soluciones por sí misma. (Carrión Carrión, 2011)
1.4 SIMULACIÓN DE ASPEN PLUS
Las simulaciones de procesos se realizan a través de simuladores comerciales o por
la programación de Excel, MatLab, visual Basic o cualquier otro programador que se
pueda utilizar, ya que nos proporcionan una herramienta tan factible para el análisis
de los comportamientos de algún proceso ya sea de la industria química, petrolera,
energética y demás, contribuyen a convertir los objetivos de una asociación en
realidad, esto ya que una planta virtual construida con simuladores ayuda en el ahorro
de dinero y tiempo, así como también protege el medio ambiente y las vidas humanas
de quienes trabajan en las plantas, consiguiendo evitar problemas y consecuencias
desastrosas. Por lo que se puede decir que la simulación es una operación de un
proceso del mundo real o de un sistema en el tiempo, ya que es una técnica donde un
modelo es iterado con diferentes valores de entrada, con la intención de conseguir una
completa representación de todos los escenarios que podrían ocurrir en una situación
incierta.
El simulador Aspen Plus es uno de los simuladores comerciales más robustos y
dinámicos, es un software de gran optimización de procesos, por ello la utilidad en los
bosquejos para encontrar las eficiencias más convenientes y proseguir a realizar los
métodos necesarios para la creación de nuevos proyectos.
1.4.1 UTILIDAD Y APLICACIONES DE ASPEN PLUS EN INGENIERÍA
QUÍMICA
Aspen Plus permite el acceso a amplias bases de datos termodinámicos útiles en
el desarrollo y análisis de diferentes experimentos, dándole resolución a los
problemas de diseño de procesos, algunos requieren gran cantidad de datos y
cálculos, que pueden volverse muy complejos para los estudiantes, consumiendo
47
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
tiempo y finalmente haciendo que el tiempo dedicado para el análisis no sea
suficiente, es por eso que simular con Aspen Plus nos otorga muchas ventajas y
utilidades tales como:
 Optimizar procesos con estimaciones de costos y el estudio de factores
ambientales con el fin de establecer comparaciones entre alternativas para
seleccionar la que mejor se acomode a las especificaciones técnicas,
económicas y ambientales en un proceso.
 Se desarrolla potencialmente los niveles de síntesis y evaluación, es muy
útil en la industria puesto que ayuda a reducir costos en el desarrollo de
proyectos.
 Dentro de la industria química, los simuladores son muy útiles en la
investigación y desarrollo al agilizar los ensayos en laboratorios y en
plantas piloto porque permite predecir resultados o rangos de trabajo
optimo lo cual ahorra mucho tiempo en la experimentación; y en la etapa
de diseño, al ofrecer una manera más rápida de diseñar un proceso para
establecer comparaciones entre diferentes alternativas.
Se han creado investigaciones en donde han puesto en práctica el simulador de
Aspen Plus para ver el comportamiento del proceso que se quiere lograr como por
ejemplo:
 Producción de alcohol carburante por destilación extractiva: simulación del
proceso con glicerol aborda el problema de la deshidratación a través de la
simulación del proceso de destilación extractiva de etanol azeotrópico
utilizando glicerol como agente de separación. Las simulaciones fueron
realizadas con el simulador Aspen Plus versión 11.1, involucrando dos
columnas de destilación, una deshidratadora y una recuperación de glicerol.
(Uyazán, Aguilar, & M, 2006)
48
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Deshidratación del etanol: presenta los procesos de deshidratación del
etanol y sus características más importantes, además de las principales
variables de operación y algunos criterios utilizados en el diseño del
esquema de separación. Se han hecho una diferencia entre los procesos
que involucran operaciones de equilibrio líquido-vapor para la separación y
aquellos que lo hacen a través de diferencias de tamaño molecular, también
se presenta una comparación de los tres principales procesos aplicados a
nivel industrial, resaltando sus fortalezas y debilidades desde el punto de
vista operativo, de consumo energético y de servicios industriales.
 Estandarización de parámetros de operación para obtener bioetanol
anhídrido por destilación extractiva: en este trabajo se presentó los
resultados de separación de la mezcla azeotrópica etanol-agua utilizando
glicerol como solvente extractor para obtener bioetanol anhídrido, se
desarrolló en el simulador Aspen Plus por medio de una columna de
destilación, se analizó el comportamiento de las diferentes condiciones de
operación y los resultados se estandarizaron como parámetros de
operación. (Mendoza Rojas & Enciso López, 2006)
 Evaluación de la deshidratación de alcohol carburante mediante simulación
de procesos: la deshidratación de etanol juega un papel crucial en la
obtención de alcohol carburante en especial cuando se consideran los
costos del proceso global. Para la etapa de recuperación se han propuesto
una destilación extractiva, destilación azeotrópica, destilación al vacío y la
adsorción de tamices moleculares, este trabajo se evalúo el efecto que tiene
casa sistema mediante el uso de un simulador de procesos Aspen Plus.
Entre las configuraciones se encontró que el mejor esquema de
deshidratación es el de tamices moleculares, pero con altos costos de
capital en comparación de la destilación extractiva, por lo que esta es más
eficiente energéticamente. (Quintero, Montoya, Sánchez, & Cardona, 2007)
49
CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
 Simulación del proceso de deshidratación de etanol utilizando el software
Aspen-Hysys V3.2: se basa en la simulación del proceso en el software
Aspen –HYSYS, consta de dos columnas de destilación, un sub-diagrama
y separadores de fases. La obtención de etanol anhídrido se realiza a partir
de la mezcla de etanol en agua a concentración azeotrópica de pureza del
85% en peso, utilizando benceno como solvente. La destilación se
implementa con datos reales de una destilería cubana.
1.4.2 PARÁMETROS DEL SISTEMA DE DESTILACIÓN EXTRACTIVA.
Para la obtención y el análisis del etanol se deben tomar en cuenta parámetros
específicos para conocer su comportamiento durante la destilación extractiva
como por ejemplo: la relación molar entre el solvente y la alimentación para saber
de qué manera sustancial afectara el solvente a la mezcla azeotrópica, la relación
molar de reflujo, la temperatura y la etapa de alimento del solvente.
Como también se debe tomar a consideración la relación entre la temperatura y
la presión a las cuales trabajara la torre de destilación, por parte de la literatura
es recomendable utilizar la ecuación de estado NRTL,
porque realiza una
correlación más adecuada y correcta de los datos. Las condiciones de operación
de la columna se encuentran por medio del análisis de sensibilidad, determinando
así la etapa de alimentación del etilenglicol que es nuestro solvente, por medio
de una relación molar solvente/alimento y la temperatura de entrada de solvente
sobre la composición del destilado y el gasto energético del rehervidor. (Uyazán,
Aguilar, & M, 2006)
50
CAPÍLTULO II.- METODOLOGÍA
2.1.- ELECCIÓN DEL SOLVENTE Y REVISIÓN DE LAS ECUACIONES DE ESTADO
Los solventes tiene una gran utilidad en la industria, productos como pinturas de base
de agua, barnices, tintas, aerosoles, en la coloración de textiles, marcadores,
pegamentos y adhesivos, su término se refiere a sustancias orgánicas en estado
líquido, utilizadas para disolver sólidos o gases, la mayoría son derivados del petróleo
o sintéticos, ninguno es completamente confiable ya que todos son tóxicos.
Para la destilación extractiva se debe elegir correctamente el solvente a manipular,
típicamente se ha utilizado el benceno por ser más económico, en esta ocasión
recurrimos al etilenglicol, porque para este tipo de destilación la tercer sustancia
llamada agente extractivo debe modificar las volatilidades de los compuestos de la
mezcla etanol – agua, sin formar nuevos azeótropos permitiendo de esta forma la
separación. El agente agregado debe tener un punto de ebullición mayor que el del
etanol y el agua, para que la separación de la mezcla azeotrópica se dé
favorablemente sin formar otro azeótropo, en la segunda torre donde se recupera
interactúa con el agua, por lo que también debe tener un punto de ebullición alto. La
entrada de alimentación comienza en el mezclador que combina el etilenglicol que
viene de la recirculación con agente que se presenta desde el principio. El etilenglicol
tiene una pureza del 100%, con un flujo total de 175 Kg/hr, se incorpora a 80 °C para
no disminuir la temperatura que está presente en la torre de destilación RadFrac,
también para mantener el punto de ebullición del solvente que es de 197.3 °C y
mantenerlo en equilibrio con la emulsión que se envía de la recirculación para que de
esta forma no afecte al proceso y no se forme otro azeótropo en la mezcla, la presión
manejada durante todo el transcurso es de 14.7 psia como medida estándar, las
características se muestran en la figura 2.12.
51
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
Para optimizar la destilación se recuperó el etilenglicol por medio de la recirculación, a
través de un FSplit se llegara a separar un poco más el agua del solvente y la cantidad
de flujo que regreso al mezclador es de 336 Kg/hr.
El etilenglicol tiene una gran calidad como disolvente, pero los costos energéticos son
un poco elevados, así que en el proceso se mejorará la calidad del etanol para su uso
en la industria. Como agente en la destilación extractiva, está se convierte competitiva
energéticamente. (Quintero, Montoya, Sánchez, & Cardona, 2007)
T= 80 °C
P= 14.7 psia
Pureza= 100%
Flujo total=
175 Kg/hr
Flujo
de
solvente en
recirculación
Figura 2.12 Condiciones del solvente para el proceso de destilación extractiva
El modelo que se utilizó para la simulación es el NRTL ya que es muy útil para las
mezclas orgánicas con presencia de agua y para las mezclas binarias, es consistente
termodinámicamente y puede aplicarse a sistemas ternarios y de orden superior
52
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
usando parámetros obtenidos por la regresión de datos del equilibrio binario. (Henley,
1988)
La ecuación de estado NRTL describe el equilibrio líquido - vapor para la mezcla
etanol-agua (Quintero, 2007), indicando que el tipo de proceso es total observando
así el mismo comportamiento de la mezcla.
Tipo
de
proceso: Total
Ecuación de
estado: NRTL
Figura 2.13 Ecuación de estado en la simulación
2.2.- CONDICIONES DE OPERACIONES MÁS ADECUADAS PARA EL PROCESO
DE DESTILACIÓN EXTRACTIVA
Para la simulación de la destilación extractiva de la mezcla etanol - agua se utilizó el
programa Aspen Plus 2008 V7.0 – aspen ONE, en el cual se concentraron datos
precisos para el proceso, tales como la temperatura, presión, flujo másico, número de
platos y el solvente agregado.
2.2.1 FLUJOS
Para el control de la destilación extractiva se manejó como primer equipo un
mezclador el cual recibe el solvente puro y posteriormente el de la recirculación
para que la composición y la temperatura de estas dos entradas lleguen a un
equilibrio. Como primer corriente se tiene el etilenglicol puro que conlleva la
función de solvente durante el proceso, aquí mismo se concentra el etilenglicol
de recirculación porque se recupera una porción de la que se introduce desde un
53
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
principio, los flujos que entran en este sistema son el número 8 y el 9 que se
representan en la figura 2.14 (a). Este solvente es introducido a la torre de
destilación, el cual lleva una entrada más que consiste en la mezcla etanol –
agua, con una composición de 52.27% y 47.73% respectivamente (Treybal) para
la destilación se utilizó una torre de 80 platos, los más importantes son cuatro en
el primer plato se encuentra el condensador, en el segundo plato se introdujo el
solvente, en el plato número cuarenta se agregó la mezcla azeotrópica y en el
plato ochenta se colocó el reboiler, en el domo se obtuvo el azeótropo de etanol
con una pureza de 91.73%, en la parte inferior se tubo agua con etilenglicol (figura
2.14 b), este último se purifico para enviarlo al mezclador por lo que fue remitido
a otra torre de destilación que consta de cuatro platos por lo que se consideró
como un proceso sencillo, ya que no existía ningún problema en separar el agua
del etilenglicol por lo que se consiguió una pureza del 92.33%, se utilizó el mismo
proceso que en la destilación anterior, ya que la mezcla se introdujo en el plato
medio de la torre en esta caso el número dos (figura 2.14 c), el flujo siete está
conectado a un FSplit (figura 2.14 d) para amenizar la mezcla ya que en esta
existe una pequeña porción de agua que será enviada con el etilenglicol al
mezclador. El proceso fue ejecutado con 5 platos diferentes para elegir el
adecuado de acuerdo a la composición de la mezcla.
a)
b)
54
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
c)
d)
Figura 2.14 Esquema de los equipos utilizados en la simulación de la
mezcla azeotrópica etanol – agua.
(a) Mezclador de etilenglicol
(b) Torre de destilación de la mezcla etanol – agua
(c) Torre de destilación empleado para la separación del etilenglicol y
el agua
(d) FSplit recircula el etilenglicol que se recuperó al mezclador
2.2.2 NÚMERO DE PLATOS
Al realizar el proceso de destilación se debe de utilizar una serie de platos para
mejorar la pureza del destilado que se quiera obtener y así realizar una eficiente
separación de los componentes, en la destilación de la mezcla azeotrópica etanol
– agua se manejaron cinco platos diferentes para la simulación en Aspen Plus:
 Bubble cap
 Sieve
 Glitsh ballast
 Koch flexitray
 Nutter float valve
La cantidad que se utilizó para la simulación fueron de ochenta platos ya que se
presentaba una pureza del etanol del 91.73% en el primer plato se colocó el
55
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
condensador, en el último está el reboiler ya que esto sistemas están activados en
las simulaciones de Aspen Plus. El solvente es introducido en el segundo plato y
la mezcla de etanol – agua en el numero cuarenta.
Figura 2.15 a) Número de platos en el proceso de destilación
Figura 2.15 b) Entrada de alimentación de la mezcla etanol – agua a la torre de
destilación
2.2.3 RELACIÓN DE REFLUJO
En el proceso de la simulación de la destilación extractiva emerge un vapor en la
parte superior de la torre siendo este el azeótropo del etanol, como el destilado
puro de la operación unitaria, en la misma columna regresa otra parte de la
mezcla en este caso el agua y el etilenglicol el cual se utilizó como solvente, los
dos componentes constituyen el reflujo todo esto para conseguir una mejor
56
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
separación de la mezcla. La relación entre la cantidad de producto destilado
obtenido en la simulación y el reflujo que produce el segundo componente de la
mezcla más el solvente se denomina relación de reflujo.
Figura 2.16 Relación de reflujo del proceso de destilación
2.3.- VARIACIÓN DEL DISEÑO DE PLATO EMPLEADO EN LA COLUMNA
EXTRACTIVA
El programa de Aspen Plus utiliza cinco platos diferentes para el proceso de la
destilación con un equipo RadFrac tipo FRACT2, para la elección de cada uno de los
componentes principales de la torre, se basó en diferentes datos que el simulador
proporciono para elegir la mejor opción y realizar un procedimiento eficiente.
La temperatura que se empleó durante toda la simulación fue de 25 °C en cada uno
de los equipos, por lo que no fue de gran importancia para la elección del plato a
utilizar, se diferenció con respecto a la temperatura del solvente que fue de 80 °C, pero
este solo intervino en la etapa en donde se mezcló con el etanol y el agua.
Con respecto a la velocidad de flujo de la mezcla es similar en los valores por lo que
las gráficas no tuvieron un cambio significativo.
El siguiente factor consistió en la concentración que presentó el etanol dentro de la
torre de destilación, donde se pretendió que este compuesto existiera en menor
57
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
cantidad, logrando que en la etapa del condensado se obtuviera una pureza del
91.73%.
El cuarto dato obtenido por las gráficas que el simulador nos proporciona es el
funcionamiento hidráulico el cual consiste en la comparación de la velocidad del flujo
molar, contra la velocidad del flujo del vapor en las 80 etapas que posee la columna
de destilación, los resultados no tuvieron gran variación entre los cinco ya que la
velocidad del vapor se encontraba entre los 0.042 y 0.045 Kmol/h y el aumento fue en
el plato número 79.
El último factor es la exergía es considerado por que nos muestra la cantidad de
energía que se puede transformar en trabajo, en nuestra simulación para los cinco
platos aumenta hasta 40,000 cal/s cuando la mezcla paso por los ochenta platos.
2.3.1.- TIPO DE PLATO
Para la elección del plato que se utilizaría en el proceso de la destilación, el
simulador proporciono información de los cinco platos que emplea en este tipo
de procesos (figura 2.17) y menciona cuatro factores importantes todo esto para
la toma de decisión de un equipo eficiente y la obtención de alta pureza en el
azeótropo de etanol, considerando también la economía. Como uno de los
primeros valores se tuvo el factor de inundación, el cual consiste en la capacidad
que tiene los platos en contener la mezcla que se está destilando dentro de la
torre en este caso es el plato Koch flexitray fue el que obtuvo uno de los valores
más altos, sin embargo el bubble cap y el glitsh ballast obtuvieron los mismos
datos.
La caída de presión disminuye dentro del sistema cada que traspasa los platos,
el más eficiente es el Bubble cap ya que el transcurso entre etapa y etapa es
pausado, el Sieve obtuvo la mayor caída de presión por lo cual lo hace deficiente
en ese aspecto.
58
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
Con respecto a la velocidad de la mezcla azeotrópica tres platos obtuvieron la
misma Glitsh ballast, Koch flexitray y el Nutter float valve, después el Bubble cap
y por último el Sieve, la unidad de medida es en m/s.
Y por último la pureza del etanol, tres platos presentan los mismos datos el Glitsh
ballast, Koch flexitray y el Nutter float valve, sin embargo el bubble cap se acerca
a los valores que estos tienen por lo que presenta un mejor comportamiento,
porque al tomar en cuenta la pureza los cuatro platos están en el rango del 91%,
el Sieve presenta un bajo rendimiento, por lo que se optó por el plato Bubble Cap.
Tipos
de
platos
Figura 2.17 Tipo de platos del simulador de Aspen Plus
2.3.2.- EL DIÁMETRO DEL PLATO
Con respecto al diámetro del plato se debe de diseñar de acuerdo a la capacidad
de la columna de destilación ya que debe de operar entre un 65 a 90 % o para
una determinada caída de presión, (Treybal). Con la ecuación 2.14 encontramos
la medida adecuada del diámetro del plato para el proceso.
1 1
𝑉 = 0.761( )2
𝑝
59
Ec. 2.13
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
4
𝑇
1
1
1
𝐷𝑉
𝐷𝑐 = [(𝜋𝑉) 𝐷(𝑅 + 1)(22.2) ( 273
) (𝑃) (3600)]2
Ec. 2.14
Donde:
V= Parámetro del domo
P= presión
Dc= diámetro del plato
D=flujo del destilado
R=reflujo
TDV= temperatura del vapor que sale por el domo
𝑉 = 0.7661(
1 1
)2
1 𝑎𝑡𝑚
𝑉 = 7661
𝐷𝑐 = [(
1
4
𝐾𝑔
298 𝐾
1
1
(238 + 1)(22.2) (
) 40
)(
)(
)]2
𝜋 (0.7661)
ℎ𝑟
273 𝐾 1 𝑎𝑡𝑚 3600
1
𝐷𝐶 = [(1.6619)(40)(239)(22.2)(1.0915)(1)(2.77 ∗ 10−4 )]2
0𝐷𝐶 = 10.34 𝑚
El diámetro de cada plato con respecto a los cálculos realizados fue de 1034 cm
(figura 2.18).
2.3.3.- ALTURA DEL VERTEDERO PARA EL PLATO
La altura de un vertedero es de gran utilidad porque cuando este es demasiado
bajo para el flujo crítico, el nivel de la mezcla azeotrópica cae durante el proceso
de la simulación y por lo tanto el destilado que se encuentra en la parte del domo
de la columna no se ve afectado, pero una vez que se consigue el flujo critico hay
una probabilidad de elevar el vertedero más de lo indicado, pero por eso el
espacio entre los platos es constante de igual manera la temperatura y la presión,
por lo que el proceso será de manera constate para no llegar a ese punto crítico.
Por lo que se podría identificar como un controlador para el manejo del flujo de
la mezcla.
60
CAPÍTULO II.- METODOLOGÍA
2.3.4.- ESPACIAMIENTO ENTRE PLATOS PARA LA TORRE
Generalmente para el espaciamiento entre los platos se escoge con base en la
facilidad para la construcción en la simulación ya que busca la eficiencia de la
columna para la mejor obtención del azeótropo; posteriormente se verifica para
evitar cualquier inundación y arrastre excesivo del agua en el etanol para una
producción mejor purificada. Para casos especiales en que la altura de la torre
es de importancia se han usado espaciamientos de 2 ft (figura 2.18), para todos
los diámetros a excepción de los diámetros más pequeños de la torre, que suelen
ser de 15 in, pero por lo regular son utilizados para torres empacadas.
Diámetro
del plato
Espacio
entre
platos
Figura 2.18 Diámetro y espaciamiento de los platos
61
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.- ELECCIÓN DEL SOLVENTE PARA LA DESTILACIÓN EXTRACTIVA
Para la elección de un solvente se tomó en cuenta la miscibilidad que es un caso
particular de la solubilidad, ya que la presión como la temperatura tiene influencia en
la mayor o menor solubilidad que se pueda presentar en la mezcla azeotrópica que se
está manejando; por lo que se operó con condiciones estándar para la manipulación
del proceso, la temperatura para todos los equipos fue de 25 °C y la presión de 1 atm,
con respecto al concepto de azeótropo, el que se utilizó en la simulación es etanolagua que por sus componentes es binario y como se sabe al momento de someterlo
a una destilación normal este no se llevara a acabo ya que al instante de llegar al punto
de ebullición más cercano en este caso la del etanol no ocurre la evaporación ya que
se logra un grado de estabilidad donde la composición de la mezcla es igual en
cualquier punto. El mejor solvente para esta operación fue el etilenglicol ya que
comparado con otros como el benceno o las sales mineras es mejor energéticamente.
Para optimizar la destilación se recuperó el etilenglicol por medio de la recirculación,
la primer entrada es de 175 Kg/hr, con una temperatura de 80 °C, se mantuvo en este
grado por el punto de ebullición del solvente que es de 197.3 °C y mantenerlo en
equilibrio con la emulsión que se envía de la recirculación para que de esta forma no
afecte al proceso y se forme otro azeótropo en la mezcla.
3.2.- ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA TORRE DE
DESTILACIÓN EXTRACTIVA.
Durante las primeras corridas del proceso de simulación se comenzó incluyendo los
componentes de la mezcla azeotrópica etanol – agua, junto con el solvente que se
eligió, en este caso el etilenglicol, como se muestra en la figura 3.19.
62
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Figura 3.19 Componentes que se utilizaron en la simulación
El proceso fue total quiere decir que todos los equipos trabajaron a su máxima
capacidad, el modelo que se utilizó para la simulación fue el NRTL (Non Random Two
Liquids), porque es capaz de representar el comportamiento de los equilibrio líquido –
vapor, líquido – líquido y líquido – líquido – vapor, es superior a otros modelos en
sistemas de agua con compuestos orgánicos, termodinámicamente el modelo es
consistente y puede aplicarse a sistemas ternarios y de orden superior, comparado
con las ecuaciones de estado de Van der Waals y Redlich-Kwong los resultados que
estos proporcionan no son de gran confiabilidad para procesos de suma importancia
en la industria, Soave- Redlich-Kwong y Peng-Robinson son un poco más sofisticados,
pero para realizar un análisis de mezclas orgánicas suelen tener algunos errores en
las deducciones.
Para el control de la destilación extractiva se manejó como primer equipo un mezclador
ya que la corriente número ocho tiene el etilenglicol puro que conlleva la función de
solvente durante el proceso el flujo que transporta consigo es de 175 kg/hr a una
temperatura de 80 °C y una presión de 14.7 psia, aquí mismo se concentra el
etilenglicol de recirculación que es de 336 kg/hr, con una temperatura de 170.7 °C y la
63
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
presión de 1 atm (14.7 psia), porque se recupera una porción de la que se introduce
desde un principio, este solvente es introducido a la torre de destilación el cual lleva
una entrada más que consiste en la mezcla etanol – agua, para la destilación se utilizó
una torre de 80 platos, en el segundo plato se introdujo el solvente y en el plato número
cuarenta se agregó la mezcla azeotrópica con una cantidad de 100 kg/hr, con una
temperatura de 25 °C y una presión de 14.7 psia, el flujo de destilado manejado es de
40 kg/hr y la velocidad de reflujo de 238 m/s; en el domo se obtuvo el azeótropo de
etanol con una pureza de 91.73%, en la parte inferior se obtuvo agua con etilenglicol,
este último se purifico para enviarlo al mezclador por lo que fue remitido a otra torre de
destilación con cuatro etapas, un flujo de destilado de 60 kg/hr y una velocidad de
reflujo de 5 m/s, en donde se consiguió una pureza del 92.33%, este flujo está
conectado a un splitter para realizar la recirculación del solvente dirigido al mezclador.
El proceso fue ejecutado con 5 platos diferentes para elegir el adecuado de acuerdo a
la composición de la mezcla.
Figura 3.20 Esquema de la simulación de la destilación etanol – agua.
64
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.3.- EFECTO DEL DISEÑO DE PLATO EN LA EFICIENCIA DE SEPARACIÓN.
El diseño del plato que se utilizó en el proceso de la destilación es el bubble cap por
las siguientes características, el simulador proporciono información acerca de cuatro
factores: el factor de inundación, la caída de presión, la velocidad y la pureza del
azeótropo, para la toma de decisión de un equipo eficiente y la obtención de una
pureza en el azeótropo de etanol, mostrado en la tabla 3.5. Como los valores fueron
semejantes el análisis se resumió a elegir el plato por la segunda variable que es la
caída de presión, con respecto al factor de inundación los tres primeros tienen
cantidades similares, el cuarto plato es muy alto y afectaría al vertedero, el ultimo tiene
una capacidad demasiado pequeña.
La velocidad del flujo de la mezcla está en un rango de 2.0*10ˆ-4 para los cinco platos
por lo que otra variable definirá cual es el más preciso.
Con respecto a la pureza del azeótropo el más bajo fue el Sieve por lo que
definitivamente quedo excluido, las demás opciones tiene el 91 % por lo que es un
muy buen resultado el que se obtuvo, examinando la caída de presión entre más baja
mejor, porque la presión manejada durante todo el proceso es de 14.7 psia, así que el
plato que proporciono todas las características favorables es el Bubble cap con
respecto al análisis estadístico que se realizó.
Tabla: 3.5 Factores de para la eficiencia de los platos
Tipo de platos
Factor
de Caída
inundación
de
presión (atm)
Pureza
Velocidad m/s
azeótropo de
etanol
Bubble cap
0.00668385
0.10624515
0.00021011
0.9173
Sieve
0.00698094
0.32360399
0.00020568
0.7526
Glitsch ballast
0.00668185
0.25034347
0.00021015
0.9186
Koch flexitray
0.00937193
0.14767851
0.00021015
0.9186
0.00443530
0.28207249
0.00021015
0.9186
Nutter float
valvue
65
del
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis estadístico
Medidas de dispersión:
 Factor de inundación:
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑥 = 0.005692311
Varianza
2
𝑆 =
2
𝑆 =
∑ 𝑥2−
(∑ 𝑥)2
𝑛
Ec. 2.15
𝑛−1
0.00024555 −
4
0.001166
5
𝑆 2 = 3.063 ∗ 10−6
Desviación estándar
𝑆 = √𝑆 2
𝑆 = 0.00175
68 % = 0.005692311 ± 0.00175
1° = 0.00744
2° = 0.00394
Con los datos obtenidos hay tres platos posibles a elegir:
 Bubble cap
 Sieve
 Glitsch ballast
 Caída de presión
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑥 = 0.1849
Varianza
2
𝑆 =
0.28 −
4
66
1.232
5
Ec. 2.16
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
𝑆 2 = 0.0084
Desviación estándar
𝑆 = 0.09165
68 % = 0.1849 ± 0.09165
1° = 0.09325
2° = 0.27655
El primer valor se acerca al plato Bubble Cap y el segundo al Nutter Float Valve, en la
literatura se menciona que entre menos caída de presión mejor porque se realiza una
purificación mayor para cada componente a separar, por lo tanto el mejor plato es el
Bubble Cap.
 Velocidad de flujo
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑥 = 0.000209248
Varianza
𝑆2 =
2.19 ∗ 10−7 −
4
1.094 ∗ 10−6
5
𝑆 2 = 2.5 ∗ 10−10
Desviación estándar
𝑆 = 0.000015811
68 % = 0.000209248 ± 0.000015811
1° = 0.0002250
2° = 0.0001934
El primer valor es el considerado ya que existe una mejor velocidad de flujo, que
corresponde a cuatro de los platos empleados ya que se aproximan al resultado:
 Bubble Cap
 Glitsh Ballast
67
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
 Kock Flexitray
 Nutter Float Valve
 Pureza del azeótropo
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑥 = 0.88514
Varianza
2
𝑆 =
3.9393 −
4
19.5868
5
𝑆 2 = 0.00548
Desviación estándar
𝑆 = 0.07405
68 % = 0.88514 ± 0.07405
1° = 0.95919
2° = 0.81109
Lo que se pretende es obtener la mejor pureza para el etanol azeotrópico por lo que la
mejor opción en este factor es el primero de 0.95919, los platos próximos a este valor
son:
 Bubble Cap
 Glitsh Ballast
 Kock Flexitray
 Nutter Float Valve
El simulador también proporciono las siguientes gráficas para conocer el
comportamiento de la mezcla en el plato empleado:
En el gráfico de la figura 3.21 se muestra el comportamiento de la temperatura en los
ochenta platos con respecto a los valores de la tabla 3.6.
68
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 3.6 Variación de la temperatura
Plato / No.
1
40
80
Bubble Cap
177.5
221.9
355
Sieve
177.5
180
348
Glitsh Ballast
150
150
354
Kock Flexitray
120
120
354
Nutter Float Valve
160
160
353
Temperatura
Variación de la temperatura
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
No. de platos
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
Figura 3.21 Comportamiento de la temperatura en los diferentes platos
Con respecto al flujo del vapor (Kmol/hr) la figura 3.22 demuestra que el plato que
presenta el valor más alto sobre los diferentes platos utilizados es el Sieve, ya que en
los cuatro restantes los valores son similares como lo expresa la tabla 3.7.
Tabla 3.7 Datos de la velocidad del vapor por cada plato utilizado
Plato / No.
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
1
10
0
0
0
0
69
40
202
223
206
200
200
80
180
210
185
187
180
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Velocidad de vapor (Kmol/hr)
Velocidad de vapor
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
No. de platos
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
Figura 3.22 Comportamiento de la velocidad del vapor en los platos
Los resultados de simulación arrojo dos graficas con respecto a la Velocidad (Kmol/hr)
en este caso es con al Líquido (figura 3.23), los datos son próximos en cada uno de
los platos como lo muestra la tabla 3.8.
Tabla 3.8 Datos de la velocidad de flujo (líquido) por cada plato utilizado
Plato / No.
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
1
212
237
212
210
213
70
40
212
237
220
218
212
80
12.5
12.5
12.5
10
10
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Velocidad del líquido (Kmol/hr)
Velocidad del líquido
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
No. de platos
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
Figura 3.23 Comportamiento de la velocidad del líquido en los
diferentes platos
La concentración del etanol en el proceso es de gran importancia porque lo que se
busca en esta simulación es obtención de un producto con una calidad de pureza más
alta, los resultados se muestran en la tabla 3.9 los cuales favorecen al Bubble Cap y
se representan en la figura 3.24, el compuesto obtiene menor concentración en la torre
de destilación.
Tabla 3.9 Concentración de etanol en la torre de destilación
Plato / No.
Bubble Cap
Sieve
Glitsh Ballast
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
1
0.05
0.83
0.98
0.97
0.98
71
40
0.11
0.68
0.9
0.89
0.87
80
0.38
0.46
0.4
0.42
0.41
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Concentracción
Concentración de etanol en la torre de
destilación
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
No. de platos
Bubble Cap
Sieve
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
Glitsh Ballast
Figura 3.24 Concentración de etanol con respecto a los platos
En la simulación, la hidráulica consiste en la velocidad de flujo del vapor (Kmol/hr) en
todos los flujos del proceso.
Tabla 3.10 Datos del sistema hidráulico de los flujos
Plato / No.
1
40
80
Bubble Cap
41000 42000 48000
Sieve
43000 44000 44900
Glitsh Ballast
41000 42000 46000
Kock Flexitray
52000 54000 63000
Nutter Float Valve
38000 41000 59000
72
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
0
10
20
30
40
50
Bubble Cap
Sieve
Kock Flexitray
Nutter Float Valve
60
70
80
90
Glitsh Ballast
Figura 3.25 Comportamiento del sistema hidráulico de los flujos
La exergía es la cantidad de energía para agilizar un trabajo, todos los platos la
presentan en la torre de destilación, pero el simulador solo presenta dos de los cuales
el Bubble Cap tiene una pérdida menor en comparación con el Sieve como se
representa en la tabla 3.11 y la figura 3.26.
Tabla 3.11 Datos de exergía en la torre de destilación
Plato / No.
1
40
80
Bubble Cap
-100500
0
36000
Sieve
-100800
0
41000
Glitsh Ballast
-100675
0
39000
Kock Flexitray
-150700
0
43000
Nutter Float Valve -150950
0
43000
73
CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Exergía pérdida
Exergía pérdida Cal/sec
100000
50000
0
-50000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-100000
-1500003.26 Grafica de la exergía perdida durante el proceso
Figura
-200000
No. de platos
Bubble Cap
Glitsh Ballast
Nutter Float Valve
Sieve
Kock Flexitray
Figura 3.26 Grafica de la exergía perdida durante el proceso
74
CONCLUSIONES
Al comenzar la redacción de esta tesis la finalidad principal era obtener un grado de
pureza del etanol por encima del 90% para que se comprobara que se puede utilizar
como un combustible alterno, su manejo en el sector industrial y farmacéutico siguiera
en pie, este punto se cumplió ya que en las corridas de rate based con el plato Bubble
cap se logró obtener un azeótropo de 91.73% de purificación, con una alimentación de
100 Kg/hr en la torre, el solvente que se utilizó por sus propiedades físicas es el
etilenglicol que como primer flujo de entrada fue de 175 Kg/hr y en la recirculación se
planteó un flujo de 336 Kg/hr.
Con lo que respecta a los platos, los datos proporcionados por el simulador resultaron
con mucha similitud, de los cuatro primeros factores: el factor de inundación, la caída
de presión, la velocidad y la pureza del azeótropo que se presentaron, solo la caída de
presión mostro un punto favorable al plato Bubble Cap, que se capturo mediante un
análisis estadístico obteniendo la primer característica de eficiencia con respecto a los
demás.
Para realizar un análisis un poco más amplio el simulador proporciono graficas con
respecto al comportamiento de la temperatura, velocidad de flujo, concentración,
hidráulica y exergía en los cinco diferentes platos, sucedió lo mismo en los factores
anteriores ya que solo en el tercer punto (concentración) hubo un cambio favorable
para un plato en este caso el Bubble Cap, por la cantidad de etanol que se encuentra
dentro de la torre de destilación, pues entre menor cantidad de etanol en la torre mejor
destilado se obtiene.
75
CONTENIDO DE TABLAS
Pág.
Tabla 1.1 Ecuaciones de estado para 1 mol………………………………………
18
Tabla 1.2 Información azeotrópica para sistemas binarios seleccionados…….
23
Tabla 1.3 Información azeotrópica para sistemas binarios seleccionados…….
24
Tabla 1.4 Lista de ejemplos de mezclas azeotrópicas con su respectivo
disolvente para la separación de la misma por el método de destilación
extractiva……………………………………………………………………………..
25
Tabla 3.5 Factores de la eficiencia de los platos………………………………….
64
Tabla 3.6 Variación de la temperatura…………………………………………….
68
Tabla 3.7 Datos de velocidad de flujo (vapor) por cada plato utilizado…………
68
Tabla 3.8 Datos de la velocidad de flujo (líquido) por cada plato utilizado……
69
Tabla 3.9 Concentración de etanol en la torre de destilación……………………
70
Tabla 3.10 Datos del sistema hidráulico de los flujos…………………………….
71
Tabla 3.11 Datos de exergía en la torre de destilación………………………….
72
76
CONTENIDO DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.1 Mezcla líquido-vapor en equilibrio a temperatura y presión
constantes……………………………………………………………………………
13
Figura 1.2 Datos de equilibrio para la mezcla etanol-agua………………………
21
Figura 1.3 Planta para una destilación flash………………………………………
27
Figura 1.4 Columna de fraccionamiento continúo con secciones de
rectificación y agotamiento………………………………………………………....
28
Figura 1.5 Diagrama esquemático de la destilación extractiva………………….
28
Figura 1.6 Diagrama de una torre de destilación…………………………………
31
Figura 1.7 Diagrama del comportamiento de la mezcla etanol-agua………….
32
Figura 1.8 a) Esquema del plato Bubble Cap……………………………………..
39
b) Esquema del plato Bubble Cap en la torre de destilación………..
39
Figura 1.9 Esquema del plato Glitsh Ballast………………………………………
42
Figura 1.10 Esquema del plato Koch Flexitray……………………………………
43
Figura 1.11 Esquema del plato Nutter Float Valve……………………………….
44
Figura 2.12 Condiciones del solvente para el proceso de destilación extractiva
51
Figura 2.13 Ecuación de estado de la simulación………………………………...
52
Figura 2.14 Esquema de los equipos utilizados en la simulación de la mezcla
etanol-agua
a) Mezclador de etilenglicol…………………………………………..
53
b) Torre de destilación de la mezcla etanol - agua…………………
53
c) Torre de destilación empleado para la separación del
etilenglicol y el agua………………………………………………..
54
d) FSplit recircula el etilenglicol que se recuperó al mezclador……
54
Figura 2.15 a) Número de platos en el proceso de destilación…………………
55
b) Entrada de alimentación de la mezcla etanol-agua a la torre de
destilación……………………………………………………………………………
55
Figura 2.16 Relación de reflujo del proceso de destilación………………………
56
Figura 2.17 Tipo de platos del simulador Aspen Plus…………………………….
58
Figura 2.18 Diámetro y espaciamiento de los platos……………………………..
60
Figura 3.19 Componentes que se utilizaron en la simulación…………………...
62
77
CONTENIDO DE FIGURAS
Figura 3.20 Esquema de la simulación de la destilación etanol-agua…………
63
Figura 3.21 Comportamiento de la temperatura en los diferentes platos………
68
Figura 3.22 Comportamiento de la velocidad del vapor en los platos…………
69
Figura 3.23 comportamiento de la velocidad del líquido en los diferentes
platos…………………………………………………………………………………
70
Figura 3.24 Concentración de etanol con respecto a los platos…………………
71
Figura 3.25 Comportamiento del sistema hidráulico de los flujo………………..
72
Figura 3.26 Grafica de la exergía perdida durante el proceso…………………..
73
78
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