Simulación de columna rigurosa

Transcripción

Simulación de columna rigurosa - SCDS
Exposición del problema y planteamiento de solución:
Una rectificación se puede representar de manera realista mediante una simulación de
columna rigurosa. Este método permite simular mezclas reales e ideales. Mediante el balance
nivel-por-nivel se puede obtener un cálculo detallado de la columna de rectificación que aporte
resultados precisos. En CHEMCAD hay disponibles dos tipos de columna rigurosa: TOWR y
SCDS. A continuación vamos a presentar la columna SCDS.
En este tutorial se examina una mezcla ternaria de benceno, acetona y ciclohexano. El objetivo
es separar por rectificación esta mezcla para obtener benceno puro de aproximadamente el
99% molar. Otro objetivo es recuperar al menos el 99% molar del benceno alimentado
inicialmente. En la columna se introduce primero una mezcla de 64% molar de acetona, 18%
molar de benceno y ciclohexano. La simulación se lleva a cabo con una columna SCDS en
CHEMCAD.
Figura 1: Diagrama de flujo de la columna SCDS
focused on process simulation
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Implementación de la simulación SCDS en CHEMCAD:
La simulación se realiza con CHEMCAD Steady State. Antes de la simulación es necesario
seleccionar los componentes y los modelos termodinámicos correspondientes. En
"Thermophysical:Select Components" se seleccionan los componentes benceno (n.º CAS: 71-432), acetona (n.º CAS: 67-64-1) y ciclohexano (n.º CAS: 110-82-7). El "Thermodynamics Wizard”
que se abrirá a continuación propone un modelo adecuado de acuerdo a la especificación de
presión y temperatura. CHEMCAD propondrá el modelo de valor K (k-Value Model) tipo NRTL
para el ejemplo específico. Como modelo de entalpía (Enthalpy Model) se propone LATE (Latent
Heat). Esta selección es una decisión preliminar del programa y el usuario deberá controlarla
siempre y compararla con un árbol de decisión ([3], figura 8/9).
Después de cerrar el "Thermodynamics Wizard", se abre la ventana "NRTL Parameter" (figura
2). Aquí se muestra una lista de los parámetros de interacción binaria (BIPs: Binary Interaction
Parameters) para cualquier mezcla binaria de los componentes ya seleccionados previamente.
Para el ejemplo dado se muestran las mezclas binarias benceno/ciclohexano y
acetona/ciclohexano. Los datos para la mezcla de acetona/benceno aún no aparecen aquí. Los
datos NRTL que faltan deben registrarse posteriormente ya que al no hacerlo se supone que el
coeficiente de actividad es uno y por tanto se realiza un cálculo ideal del compuesto doble
correspondiente [6, capítulo VLE]. Los valores que faltan se pueden calcular por UNIFAC y
registrarse posteriormente. Para ello se dispone de tres opciones diferentes: "UNIFAC VLE“,
"UNIFAC LLE“ y "modified UNIFAC“.
Figura 2: Ventana "NRTL Parameter Set“
Para el ejemplo dado, los datos que faltan se calculan mediante "UNIFAC VLE" y se registran
posteriormente. Si hay la mezcla está incompleta debe elegirse "UNIFAC LLE". "Modified
UNIFAC" debe seleccionarse en caso de altas presiones y altas temperaturas.
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Antes de cada simulación debe comprobarse en detalle el comportamiento de la mezcla para
detectar posibles límites en la rectificación (por ejemplo: azeótropos, límites de destilación,
vacíos de mezcla). Para determinar vacíos de mezcla, primero se debe examinar cada mezcla
binaria de sustancias con la opción "Plot: TPXY" usando el diagrama de equilibrio. En este caso
se observa que no existen vacíos de mezcla. Una estimación aproximada de la miscibilidad
también se puede llevar a cabo utilizando la estructura molecular. Sin embargo, en caso de
tener un vacío de mezcla, se debe seleccionar en Global Phase Option (Thermodynamic
Settings) la opción de equilibrio vapor-líquido-líquido (opción: Vapor/Liquid/Liquid/Solid).
Con "Plot: Residue Curves" se genera la curva de residuos (figura 3).
Figura 3: Curva de residuos de la mezcla ternaria de benceno, acetona y ciclohexano
La curva de residuos proporciona información sobre azeótropos y sobre sus puntos de
ebullición, así como sobre las sustancias puras. En la figura 3 se puede observar que en esta
mezcla ternaria hay dos azeótropos, con lo que es posible reconocer los posibles límites de
destilación.
En la muestra analizada hay un límite de destilación entre los azeótropos binarios que no se
puede superar al realizar la rectificación. En consecuencia se forman dos zonas de destilación,
en las que se pueden obtener distintos productos de fondo dependiendo de la composición de
la alimentación.
La alimentación especificada (punto rojo) se encuentra en la zona de destilación derecha. En
esta zona, el compuesto con bajo punto de ebullición es el azeótropo de ciclohexano y acetona,
con un punto de ebullición de 53,85 °C. Por tanto se espera que el azeótropo sea el producto de
cabeza. El benceno es el compuesto con alto punto de ebullición (temperatura de ebullición de
80,09 °C) y se extrae como producto de fondo.
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La curva de residuos ya permite estimar con antelación los productos en la cabeza y en el
fondo, permitiendo elegir así parámetros de rectificación adecuados.
Tabla 1: datos relevantes para la simulación
Unidades
SI
Componentes
Termodinámica
Benceno
Acetona
Ciclohexano
K: NRTL, H: LATE
Corrientes de
alimentación
̇
Operaciones por
unidad
1 columna SCDS
1 corriente de
alimentación
2 corrientes de
producto
En el diagrama de flujo se inserta la UnitOp (Unit Operation) de la columna SCDS y se dota de
una corriente de alimentación y de dos corrientes de producto. La corriente de alimentación se
ajusta con los datos que se muestran en la tabla 1 (figura 4).
Figura 4: Ventana de configuración de la alimentación
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A continuación se inicializa la columna de rectificación. Además del número de niveles y del
fondo de alimentación, también se requieren los parámetros de rectificación.
Al principio, el número de niveles y el fondo de alimentación suelen ser desconocidos y deben
estimarse en este punto. Más tarde pueden optimizarse mediante la opción Sensitivity Study.
En este ejemplo se especifica un número de niveles de 30 y el fondo de alimentación se
encuentra a la mitad, N = 14 (figura 5). En CHEMCAD, el condensador y el evaporador cuentan
como niveles separados. El recuento se hace descendiendo de la cabeza al fondo.
Figura 5: Ventana de configuración de la columna SCDS
Gracias a la curva de residuos ya se ha podido determinar qué producto de cabeza y fondo
pueden esperarse. Para probar esta hipótesis, inicialmente es aconsejable simular la columna
con un reflujo infinito y evaluar luego el comportamiento de la columna de rectificación. En las
especificaciones se ha fijado como criterio de cabeza la relación de reflujo a 1000. Como criterio
para el fondo se selecciona el flujo de masa. Debido a la relación de reflujo infinita, se
descargarán a través del fondo 1000 kg /h. La especificación de la relación de reflujo en la
cabeza y de un flujo de masa de salida son las condiciones estándar con las que examinar el
comportamiento de una columna. En la figura 6 se muestran las opciones de configuración.
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Figura 6: Configuraciones de la columna de rectificación con reflujo infinito
La columna SCDS debería converger según la configuración seleccionada. En "Format: Add
Stream Box" es posible generar una tabla de valores con las propiedades de las corrientes
(figura 7).
Figura 7: Tabla de valores de las corrientes con relaciones de reflujo infinitas
Se puede observar que, como se esperaba, en la cabeza (destilado) de la columna, se genera el
azeótropo. El porcentaje de benceno en la cabeza es muy pequeño y por lo tanto se considera
que es cero. Como no se descarga ningún producto en la cabeza, la composición en el fondo
(bottom) es la misma que la composición de alimentación.
Los resultados esperados, que ya se desprendían de la curva de residuos, quedan confirmados.
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En el siguiente paso, la simulación se realiza con los parámetros de rectificación deseados. El
objetivo es obtener benceno casi puro con 99 % en moles y con una tasa de recuperación del
99%.
Figura 8: Configuración de la columna de rectificación según los criterios deseados
Para el componente del fondo se especifica la fracción molar requerida de benceno (bottom
component mole fraction). El objetivo es recuperar el 99% del benceno. En la cabeza, la tasa de
recuperación (distillate component fraction recovery) del benceno se ajusta al 1% (figura 8).
La simulación se reiniciará y los resultados se presentarán en Streambox y UnitOpBox (figura 9).
Se puede apreciar que la pureza deseada se obtiene en el fondo y se descarga más del 99% del
benceno usado. En la cabeza se extrae la mezcla azeotrópica.
Con los parámetros de rectificación especificados se calcula una relación de reflujo de 3,26 y un
rendimiento en el evaporador de 1595,77 MJ/h.
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Figura 9: Propiedades de las corrientes y de la columna después de la simulación
El número de niveles y el fondo de alimentación se estimaron al principio. El número óptimo de
niveles y el fondo de alimentación óptimo se pueden determinar ahora a través de un
Sensitivity Study.
Para determinar el número óptimo de niveles, la capacidad del evaporador se traza respecto al
número de niveles y se examina en un mínimo.
El número de niveles (también denominados etapas) varía de 5 a 50 y se aquí se calculará
también el rendimiento del evaporador para cada nivel (figura 10).
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Figura 10: Configuración de Sensitivity Study para un número óptimo de niveles
Después de realizar el Sensitivity Study, los datos se pueden representar en un gráfico. En la
figura 11, el rendimiento del evaporador se traza respecto al número de niveles. Entre los
niveles 5 y 16 se producen problemas de convergencia. En el nivel 24, el rendimiento del
evaporador muestra un mínimo constante.
Figura 11: Influencia del número de niveles en el rendimiento del evaporador (Sensitivity Study 1)
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En las propiedades de la columna, el número de niveles se cambia a 24 y se comienza de nuevo
con la simulación. A continuación se determina el fondo de alimentación óptimo. Para ello se
crea un segundo Sensitivity Study. El fondo de alimentación va siendo desplazado a lo largo de
la altura de la columna para examinar al mismo tiempo su influencia sobre la relación de
reflujo. Como variable se selecciona el fondo de alimentación, que va variando del nivel 4 hasta
el 20. Como variable dependiente se selecciona la relación de reflujo, que se calcula
específicamente para cada nivel. En la figura 12 se muestra la relación entre ellas.
Figura 12: Influencia de la posición de la alimentación sobre la relación de reflujo
Se puede observar que la relación de reflujo se sitúa en un mínimo en torno al número de nivel
10. Cuanto menor es la relación de reflujo, menor es el consumo de energía de la columna. Por
esta razón, la alimentación se lleva a cabo a través del nivel 10.
Los parámetros de configuración de las columnas se ajustan de nuevo y se reinicia la
simulación.
Es recomendable comprobar la influencia de la posición de la alimentación sobre el estado de
equilibrio dentro de la columna. En "Plot: UnitOp Plots: Column Profils" puede crearse el perfil
de temperatura para cada uno de los niveles (figura 13).
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Figura 13: Perfil de temperatura dentro de la columna
En el nivel 10 se puede observar que la posición del fondo de alimentación y la composición de
la corriente de alimentación tienen escaso efecto sobre el perfil de temperatura dentro de la
columna. La posición de la corriente de alimentación es por tanto óptima.
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En la tabla 2 se vuelve a resumir el procedimiento para la inicialización de una columna de
rectificación rigurosa (columna SCDS).
Tabla 2 : Resumen de la simulación de una columna SCDS
Pasos de trabajo
Seleccionar los componentes y el modelo
termodinámico
[Thermophysical  [Select Components] &
[Thermodynamics Wizard]
- Ploteado de la curva de residuos
[Plot]  [Residue Curve]
-Creación del diagrama de flujo
- Hipótesis inicial: número de niveles y fondo
de alimentación
- Configuración de una relación de reflujo
infinita y extracción total a través del fondo
de la columna
- Ajuste de los parámetros de rectificación
- Optimizar el número de etapas mediante
Sensitivity Study
[Run]  [Sensitivity]
- Determinación del fondo de alimentación
haciendo un estudio de sensibilidad
[Run]  [Sensitivity]
Ventajas/información
- Configurar las bases para el cálculo
-La elección del modelo termodinámico tiene
un enorme impacto en el cálculo
- Visualización de posibles azeótropos y
límites de destilación
- Determinación de productos de cabeza y de
fondo esperados
- Analizar el comportamiento de la columna
- Determinación de la concentración esperada
en la cabeza
- Si el parámetro de rectificación es p. ej. un
azeótropo, entonces tendrá sentido realizar
una aproximación paulatina
- En Convergence en la ventana de
configuración de la columna, se puede usar la
opción Reload Column Profile para facilitar
una aproximación paulatina
- Optimización el número de niveles aplicando
el cálculo de la relación entre el rendimiento
del evaporador y el número de niveles
- Número de niveles económicamente óptimo
con un rendimiento mínimo del evaporador
- Determinación de la posición del fondo de
alimentación calculando la relación entre la
tasa de reflujo y el fondo de alimentación
- Fondo de alimentación económicamente
óptimo con una relación mínima de reflujo
Evaluación
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Encontrará una representación de las características de las corrientes y de la columna en
"Format: Add Stream Box y Add UnitOp Box” (figura 14).
Figura 14: Resultados tras la simulación de la columna rigurosa
Se puede observar que en la cabeza de la columna se separa el azeótropo de ciclohexano y
acetona. El benceno se extrae solo en cantidades muy pequeñas. En el fondo se obtiene
benceno casi puro.
De los resultados se desprende que el rendimiento del evaporador se pudo reducir a 1355,03
MJ/h. También la relación de reflujo se redujo a 2,58.
Fundamentos del método
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En este tutorial se examina la simulación de la columna rigurosa SCDS usando CHEMCAD. En el
cálculo de columnas rigurosas no se hacen simplificaciones como es el caso del método de
acceso directo (shortcut method). Cada fondo de la columna se tiene en cuenta de forma
individual para obtener un complejo sistema de ecuaciones que debe ser resuelto aplicando
algoritmos numéricos. La simulación de la columna rigurosa es compleja en términos de cálculo
en comparación con el método de acceso directo, pero ofrece resultados mucho más exactos y
cercanos a la realidad.
Con la columna de acceso directo se pueden representar mezclas ideales de forma aproximada
mucho más rápido. Pero el problema sigue siendo que el método de acceso directo es
inadecuado para mezclas no ideales, p. ej. de mezclas azeotrópicas, ya que no refleja la realidad
debido a la elevada simplificación de los cálculos. Por esta razón se utiliza la simulación rigurosa
para las mezclas no ideales.
La columna SCDS es una de las columnas rigurosas que se pueden utilizar en CHEMCAD. SCDS
significa “Simultaneous Correction Distillation System”. Se trata de un modelo de columna muy
versátil, que es adecuado para todos los procesos de rectificación.
Al calcular una columna rigurosa SCDS se parte de un estado estacionario entre la fase líquidovapor o líquido-líquido para cada fondo de la columna. Se parte de las siguientes hipótesis:
1) Cada fondo de la columna se define como zona de equilibrio en la que se crea el
equilibrio de fases.
2) No se asume la aparición de reacciones químicas.
3) Tampoco se tiene en cuenta una entrada de porciones líquidas en la fase de gas o la
aparición de burbujas de gas en la fase líquida.
La figura 15 muestra el espacio para el balance de una etapa.
̇
con ̇ : caudal de vapor
̇
̇ : caudal de líquido
Alimentación
Etapa j
̇
̇
̇
Figura 15: Zona de equilibrio simplificada de un nivel dentro de la columna
Para esta zona de equilibrio se resumen las ecuaciones necesarias para el equilibrio según el
método MESH, las cuales son relevantes para dimensionar el proyecto. MESH es el acrónimo de
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Material balance (balance de masa), Equilibrium (relación de equilibrio), Summation condition
(condiciones de suma) y Heat balance (balance térmico).
Con ello se obtiene un complejo sistema de ecuaciones para cada fondo de la columna. El
cálculo matemático es complejo y requiere algoritmos de convergencia para obtener las
soluciones. En la literatura hay un gran número de planteamientos iterativos para resolver
estas ecuaciones algebraicas no lineales.
Los algoritmos generales sin restricciones y aplicables para todos los casos son el método de
corrección simultánea y el método inside-out. Estos algoritmos se pueden aplicar a todos los
tipos de columna y a todas las composiciones de alimentación. Ambos algoritmos se utilizan en
CHEMCAD.
Con el método de corrección simultánea (SC), todas las ecuaciones MESH y también sus
combinaciones se resuelven simultáneamente utilizando el método iterativo Newton-Raphson.
Otras aplicaciones posibles de SCDS son:



Simulación de columna con productos envasados
Simulación de columna con fondos especiales
Procesos de adsorción o absorción
Esta simulación fue creada en CHEMCAD 6.4.0.
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Autores:
Lisa Weise
Fuentes:
[1] Kister, Henry Z.: Distillation design. McGraw-Hill, 1992
[2] Gmehling, Jürgen: Kolbe, Bärbel: Kleiber, Micheal: Rarey, Jürgen: Chemical Thermodynamics
for Process Simulation. Wiley-VCH Verlag, 2012
[3] Edwards, John: Process Modeling Selection of Thermodynamic Methods
[4] Schmidt, Wolfgang: USER NRTL BIPS, 2011
[5] Sattler, Klaus: Thermische Trennverfahren (Procesos de separación térmica): Grundlagen,
Auslegung, Apparate (fundamentos, diseño, equipos). Wiley-VCH
Verlag, S.199-202
[6] CHEMCAD Ayuda
[7] Seader; Siirola; Barnicki: Perry's Chemical Engineers' Handbook, Section 13 Distillation, 7th
edition. McGraw-Hill, New York, (1997)
[8] Kontogeorgis, Folas: Thermodynamic Models for Industrial Apllications, Wiley-VCH Verlag,
2010
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