º

1. Introducción.

El desarrollo de modelos de balances de materia y energía es la base para la

evaluación de procesos y la toma de decisiones en el diseño de nuevas plantas o

modificaciones de las ya existentes. El modelo de un diagrama de flujo comprende un

gran conjunto de ecuaciones no lineales que describen:

• Las condiciones de las unidades del proceso mediante corrientes de proceso.

• Las ecuaciones específicas de cada unidad (leyes de conservación y ecuaciones

de diseño específicas)

• Los datos y relaciones de éstos con las propiedades físicas de las sustancias

procesadas

Los cálculos de los datos relacionados con la propiedades físicas de las sustancias de

un determinado proceso, se determinan en función a las ecuaciones de estado que

vienen incorporado en el simulador y a los datos experimentales que ostenta la base

de datos del simulador comercial.

El usuario debe determinar en fusión al proceso que desea simular, cuál de las

ecuaciones de estado que posee el simulador se adecua más al proceso, con la que

obtenga resultados más cercanos a los reales. Hay casos en los que la base de datos

del modelo no cuente con información necesaria para simular un proceso, en este caso

el usuario debe realizar una búsqueda bibliografía para obtener los datos necesarios,

para que la simulación pueda conseguir resultados más cercanos a los reales.

En el presente trabajo se realizar la separación binaria de una mezcla que presenta

un azeótropo, los compuestos que se quieren separar son: Acetonitrilo y agua ya que

estos compuestos presenta un azeótropo, se usara un arrastrador (acetato de etilo)

para realizar la separación de estos compuestos. Para realizar la simulación del

proceso de separación de dichos compuestos, antes de ingresar a la simulación de

dicho procesos se deben validar las propiedades físicas del simulador con la

bibliografía que se cuenta. En este caso se usaron los datos del artículo “Ternary liquid-

liquid and miscible binary Vapor-liquid equilibrium data for the two Systems n-hexane

ethanol acetonitrile And water acetonitrile-ethyl acetate”.

Luego de validaran estas propiedades se puede ingresar a la simulación del

proceso. Al validar las propiedades físicas del simulador, el modelo contara con la

información necesaria para simular el proceso y obtener resultados más cercanos a los

reales.

º

2. Ecuación de estado.

Los simuladores cuentan con modelos para determinar las propiedades físicas de

los compuestos que se usaron en la simulación. Estos modelos se pueden clasificar

como:

a) Modelo Ideal. Los modelos son: IDEAL y SYSOPO.

Tabla 1. Propiedades de los Modelos Ideales.

Propiedades del Modelo Ideal Método de valores de K

IDEAL Ideal Gas, Ley de Raoult, Ley de Henry

SYSOPO Ideal Gas y Ley de Raoult

b) Modelos de Ecuaciones de Estado (EOS). Los principales modelos son: Peng-

Robinson (PENG-ROB), Redlich Kwong Soave (RK-SOAVE) y PSRK.

Tabla 2. Propiedades de los Modelos EOS.

Propiedades del Modelo Ideal Método de valores de K

PENG-ROB Peng-Robinson

RK-SOAVE Redlich-Kwong-Soave

PSRK Predictive Redlich-Kwong-Soave

c) Modelos de Coeficiente de Actividad (ACM). Los principales modelos son: Non

Randon Two Liquid (NRTL), UNIFAC, UNIQUAC, VANLAAR y WILSON.

Tabla 3. Propiedades de los Modelos de Coeficiente de Actividad (ACM).

Propiedades de los ACM. ACM de la Fase Liquida ACM de la Fase Vapor

NRTL NRTL Ideal gas

UNIFAC UNIFAC Redlich-Kwong

UNIQUAC UNIQUAC Ideal gas

VANLAAR Van Laar Ideal gas

WILSON Wilson Ideal gas

d) Modelos Especiales. El principal es el Paquete de aminas.

Comparación entre los modelos de ecuación de estado y lo modelos de coeficiente

de actividad.

º

Tabla 4. Comparación entre los modelos EOS y coeficiente de actividad.

Modelos ecuación de estado. Modelos de Coeficiente de Actividad

Limitado en la capacidad de representar

los líquidos no ideales.

Puede representar líquidos altamente

no ideales.

Menos parámetros binarios necesarios. Muchos parámetros binarios necesarios.

Los parámetros extrapolan

razonablemente con la temperatura.

Parámetros binarios son altamente

dependiente de la temperatura

Consistente en la región crítica. Inconsistente en región crítica.

La tabla siguiente muestra los paquetes básicos recomendados en función del tipo de

proceso.

Tabla 5. Paquetes recomendados en función al tipo de proceso.

Tipo de Proceso Paquete Termodinámico recomendado

Deshidratación de TEG PR

Acuoso ácido Sour PR

Procesamiento de gas criogénico PR, PRSV

Separación de aire PR, PRSV

Torres atmosféricas de crudo PR y sus variantes, Grayson Streed (GS)

Torres a vacío PR y sus variantes, GS, Braun K10, Esso

Torres de etileno Lee Kesler Plocker

Sistemas con alto contenido deH2 PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GS

Reservorios PR y sus variantes

Sistemas de vapor ASME Steam, Chao Seader, GS

Inhibición de hidratos PR

Productos químicos Modelos de actividad, PRSV

Alquilación de HF PRSV, NRTL

Hidrocarburos-agua (alta solubilidad

del agua en HC)

Kabadi Danner

Separaciones de hidrocarburos PR, SRK

Aromáticos Wilson, NRTL, UNIQUAC

Hidrocarburos sustituidos (cloruro de

vinilo, acrilonitrilo)

PR, SRK

Producción de éter (MTBE, ETBE, ter-

amil metil eter TAME)

Wilson, NRTL, UNIQUAC

Plantas de etilbenceno / estireno PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC

(según la tecnología de producción)

Producción de ácido tereftálico Wilson, NRTL, UNIQUAC

Planta de amoníaco PR, SRK

Procesos con aminas AMINE

Procesos con Polímeros Polymer

Fuente: Honeywell, ASPENTech.

º

El cuadro siguiente resume el modelo de coeficientes de actividad recomendado para

distintos tipos de mezclas por la empresa VirtualMaterials, proveedora de paquetes de

propiedades para su uso en simulación:

Tabla 6. Resumen de los modelos de coeficiente de actividad.

Tipo de mezcla Modelo recomendable

Compuestos orgánicos con

presencia de agua NRTL

Alcoholes o en mezclas con fenoles Wilson

Alcoholes, cetonas y éteres Margules

Hidrocarburos C4 – C18 Wilson

Hidrocarburos aromáticos Margules

La tabla que sigue se refiere a la aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en

distintos sistemas, así como la posibilidad de extender la información disponible a condiciones

distintas de las originales:

Tabla 7. Aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en distintos sistemas.

Aplicación Margules Van Laar Wilson NRTL UNIQUAC

Mezclas binarias A A A A A

Mezclas multicomponentes AL AL A A A

Sistemas azeotrópicos A A A A A

Equilibrio líquido-líquido A A NA A A

Sistemas diluidos ? ? A A A

Sistemas autoasociativos ? ? A A A

Polímeros NA NA NA NA A

Extrapolación ? ? B B B

Fuente: Honeywell

Dónde:

A: aplicable

NA: no aplicable

AL: aplicación limitada

?: cuestionable

B: bueno

Aspen cuenta con una guía para ayudarnos a elegir el mejor modelo termodinámico. Para

simular procesos de separación de mezclas que forman un azeótropo los modelos

recomendados son NRTL y UNIQUAC.

º

Figura 1. Guía de orientación para determinar un paquete termodinámico adecuado.

Como se puede observar en la Tabla 7 y en la Figura 1, los modelos más adecuados para la

simulación del proceso de separación son los modelos NRTL y UNIQUAC. Siguiendo la Tabla 6

que muestra un resumen de las recomendaciones de la empresa VirtualMaterials el modelo

adecuado para la simulación del proceso es el modelo NRTL.

3. Mezcla Acetonitrilo - Agua.

Figura 2. Mezcla Acetonitrilo - Agua

º

Figura 3. Azeotropo de la mezcla Acetonitrilo - Agua

Los datos de Aspen se regresionaron en función de los siguientes datos bibliográficos:

Tabla 8. Datos bibliográficos de la mezcla Acetonitrilo1 y Agua

2.

Bibli. Liq. Bibli. Vap.

X1 Y1 P Coeficiente de Coefic. De

mmHg Actividad Ace. Acetividad Wat

0 0 149,4 -- 1

0,03 0,4209 254 9,889 1,009

0,0654 0,5418 322,9 7,335 1,049

0,1127 0,5989 367,2 5,310 1,097

0,1844 0,6355 392 3,660 1,157

0,253 0,655 401,3 2,810 1,223

0,4147 0,6732 410,9 1,801 1,514

0,4843 0,6792 414,1 1,567 1,699

0,594 0,6922 418,2 1,314 2,091

0,672 0,7111 420,2 1,199 2,442

0,728 0,728 421,7 -- --

0,7489 0,7354 421,1 1,114 2,928

0,8004 0,7563 419,5 1,068 3,380

0,8786 0,8099 412 1,025 4,262

0,9471 0,8939 394 1,006 5,231

1 1 367,9 1 --

º

Figura 4. Regresión de la mezcla Acetonitrilo - Agua

Figura 5. Regresión del azeotropo de la mezcla Acetonitrilo - Agua

º

4. Mezcla Acetato de etileno – Acetonitrilo.

Figura 6. Mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.

Figura 7. Azeotropo de la mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.

º

Los datos de Aspen se regresionaron en función de los siguientes datos bibliográficos:

Tabla 9. Datos bibliográficos de la mezcla Acetato de etileno1 – Acetonitrilo

2.

Bio. Liq. Bio. Vap.

X1 Y1 P Coeficiente de Coefici. De

mmHg Activiada Ethyl Activida Aceto

0,0000 0,0000 367,9 -- 1

0,0487 0,0768 380,6 1,442 1,002

0,0887 0,1345 391,2 1,423 1,006

0,1500 0,2101 403 1,353 1,012

0,2234 0,2906 418,2 1,302 1,030

0,3089 0,3701 428,1 1,226 1,050

0,4040 0,4488 435,6 1,156 1,083

0,4984 0,5276 440,6 1,114 1,115

0,5735 0,5893 440,7 1,081 1,140

0,6384 0,6426 440,9 1,060 1,171

0,6530 0,6530 441 -- --

0,7073 0,6977 440,4 1,037 1,223

0,7779 0,7592 438,1 1,021 1,277

0,8410 0,8208 435 1,014 1,319

0,8963 0,8764 430,7 1,006 1,383

0,9593 0,9483 425,1 1,004 1,456

1,0000 1,0000 418,2 1 --

Figura 8. Regresión de la mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.

º

Figura 9. Regresión del azeotropo de la mezcla Acetato de etileno - Acetonitrilo.

º

5. Sistema ternario.

Figura 10. Sistema ternario Agua - Acetonitrilo – Acetato de etileno.

º

Figura 11. Curva de residuos Sistema ternario Agua - Acetonitrilo – Acetato de etileno.

º

6. Simulación.

Figura 12. Simulación de planta de separación.

º

Tabla 10. Composición y propiedades de las corrientes que intervienen en la simulación.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

B1 B3 B3 B2 B4

B1 B1 B3 B2 B2 B4 B4

LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID MIXED LIQUID LIQUID VAPOR LIQUID

Mole Flow

kmol/sec

ACETO-01 100,00 0,00 100,00 0,00 100,00 11,99 88,01 78,69 9,32

WATER 100,00 84,00 16,00 0,00 16,00 0,00 16,00 15,13 0,87

ETHYL-01 0,00 0,00 0,00 4,00 4,00 0,01 3,99 3,73 0,26

Mass Frac

ACETO-01 0,6950 0,0000 0,9344 0,0000 0,8650 0,9988 0,8495 0,8431 0,9075

WATER 0,3050 1,0000 0,0656 0,0000 0,0607 0,0000 0,0678 0,0711 0,0372

ETHYL-01 0,0000 0,0000 0,0000 1,0000 0,0743 0,0012 0,0827 0,0857 0,0553

Total Flow kmol/sec 200 84 116 4 120 12 108 97,54467 10,45533

Total Flow kg/sec 5906,784 1513,303 4393,48 352,4253 4745,905 492,9146 4252,99 3831,397 421,5927

Temperature C 60 100,0133 77,48894 60 62,64227 81,46196 76,6715 78 78

Pressure mmHg 760 760 760 460 460 760 760 760 760

Vapor Frac 0 0 0 0 0,045234 0 0 1 0

Liquid Frac 1 1 1 1 0,9547659 1 1 0 1

Solid Frac 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Enthalpy J/kmol -1,19E+08 -2,80E+08 1,52E+06 -4,74E+08 -1,43E+07 4,66E+07 -2,10E+07 8,09E+06 6,33E+06

Entropy J/kg-K -4896,391 -8111,824 -3593,331 -5368,763 -3689,873 -3301,514 -3738,41 -1435,114 -3549,997

Density kmol/cum 24,28035 50,97064 18,56403 9,678224 0,4737527 17,34739 18,176 0,0347053 17,74578

Density kg/cum 717,094 918,2624 703,1095 852,7127 18,73654 712,5654 715,7626 1,363171 715,5672

Average MW 29,53392 18,01552 37,87482 88,10632 39,54921 41,07622 39,37954 39,27839 40,32323

Liq Vol 60F cum/sec 7,09077 1,516229 5,574541 0,3943756 5,968917 0,6345551 5,334362 4,799946 0,5344156

º

Tabla 11. Condiciones de diseño de los destiladores.

B1 B2

Numero de platos 20 12

Plato de alimentación 10 6

Reflujo ratio 2 3

Condensador Duty

[watt] 1,1044e+10 1,3766e+10

Reboiler Duty [watt] 1,1412e+10 1,3778e+10

Temperatura de Cabeza

[C] 77.489 76,6714953

Temperatura de fondo

[C] 100.013 81,4619557