Modelado y simulación de una unidad de destilación por lotes

Aspen Plus, Aspen HYSYS, ChemCad y MATLAB, PRO son los simuladores de procesos comúnmente utilizados para el modelado , simulación y optimización de un proceso de destilación en la industria química. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La destilación es la técnica de separación preferencial de los componentes más volátiles de los menos volátiles en una alimentación, seguida de condensación . El vapor producido es más rico en los componentes más volátiles. La distribución del componente en las dos fases se rige por la relación de equilibrio vapor-líquido. En la práctica, la destilación se puede llevar a cabo mediante dos métodos principales. El primer método se basa en la producción de vapor hirviendo la mezcla líquida a separar y condensando los vapores sin permitir que ningún líquido regrese al alambique. No hay reflujo . El segundo método se basa en el retorno de parte del condensado al alambique bajo condiciones tales que este líquido que regresa entra en contacto íntimo con los vapores en su camino al condensador. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El modelado de procesos químicos es una técnica utilizada en el diseño de procesos de ingeniería química . El modelado de procesos se define como la representación física , matemática o lógica del proceso, sistema o fenómeno real utilizando la biblioteca de modelos presente en el software de simulación de procesos. En esta técnica, mediante el uso del software de simulación de procesos, definimos un sistema de componentes interconectados. Un sistema se define como un grupo de objetos que se unen en algún orden regular o interdependencia para lograr algún propósito. Dicho sistema se resuelve para poder predecir el comportamiento en estado estacionario o dinámico del sistema. Los componentes del sistema y las conexiones se representan como un diagrama de flujo de proceso . ^{[ 5 ]} Un diagrama de flujo para el proceso de amoníaco (Finlayson, 2006) se muestra en la figura 1 a continuación utilizando el software Aspen Plus.

El resultado más importante del desarrollo de un modelo matemático de un sistema de ingeniería química es la comprensión que se obtiene de lo que realmente hace funcionar el proceso. Los modelos matemáticos pueden ser útiles en todas las fases de la ingeniería química, desde la investigación y el desarrollo hasta las operaciones de planta, e incluso en estudios de negocios y economía. La base de los modelos matemáticos son las leyes físicas y químicas fundamentales, como las leyes de conservación de la masa , la energía y el momento , y los grados de libertad . El modelado matemático es, en gran medida, un arte. ^{[ 6 ]} Se requiere experiencia, práctica y capacidad intelectual para ser un buen modelador matemático.

Una simulación es la representación de un proceso o sistema del mundo real durante un período de tiempo. La simulación puede realizarse manualmente o en una computadora ; implica la generación de un historial artificial del sistema y la observación de dicho historial para extraer conclusiones sobre las características operativas del sistema real. Por lo tanto, el modelado de simulación puede utilizarse tanto como herramienta de análisis para predecir el efecto de los cambios en un sistema existente como herramienta de diseño para predecir el rendimiento de un nuevo sistema bajo diferentes circunstancias. ^{[ 7 ]} La simulación de procesos describe un diagrama de flujo de procesos donde diversas operaciones unitarias están presentes y conectadas por flujos de productos.

Se utiliza ampliamente tanto en el ámbito educativo como en la industria para predecir el comportamiento de un proceso mediante ecuaciones de balance de materia, relaciones de equilibrio, cinética de reacción, etc. ^{[ 6 ]}

En la destilación por lotes , la alimentación se carga en el alambique al que se le suministra calor continuamente a través de una camisa de vapor o una serpentina de vapor. A medida que la mezcla hierve, genera un vapor más rico en los volátiles. Pero a medida que continúa la ebullición , la concentración de los volátiles en el líquido disminuye. Generalmente se asume que se produce una vaporización en equilibrio en el alambique. El vapor se conduce a un condensador y el condensado o producto superior se recoge en el receptor. Al principio, el condensado será bastante rico en los volátiles, pero las concentraciones de estos disminuyen a medida que el condensado se acumula en el receptor. El condensado se suele extraer intermitentemente con productos o fracciones de diferentes concentraciones. La destilación por lotes se utiliza cuando el caudal de alimentación no es lo suficientemente grande como para justificar la instalación de una unidad de destilación continua. También puede utilizarse cuando los constituyentes difieren mucho en volatilidad. ^{[ 8 ] [ 9 ]} La figura 1 muestra la configuración de la destilación por lotes.

Destilación por lotes de una mezcla binaria

Sea L la cantidad de moles de material en el alambique y x la concentración del componente volátil (es decir, A), y sea D la cantidad de moles de condensado acumulado. La concentración del vapor en equilibrio es Durante un breve período de tiempo, el cambio en la cantidad de líquido en el alambique es${\displaystyle dL}$y la cantidad de vapor extraído es${\displaystyle dD}$La siguiente ecuación diferencial de balance de masa se puede escribir como: Sea L los moles de material en el alambique y x la concentración del componente volátil (es decir, A) y sea D los moles de condensado acumulado. La concentración del vapor en equilibrio es Durante un breve período de tiempo, el cambio en la cantidad de líquido en el alambique es${\displaystyle dL}$y la cantidad de vapor extraído es${\displaystyle dD}$. La siguiente

La ecuación diferencial de balance de masas se puede escribir como:

Balance total de materia: ${\displaystyle -dL}$=${\displaystyle dD}$ ----- (i)

Equilibrio del componente A: ${\displaystyle -d(Lx)=y^{*}dD}$ ----- (ii) ${\displaystyle \longrightarrow }$${\displaystyle -LdX=y^{*}dD+xdL=y^{*}dD-xdD=(y^{*}-x)dD}$ ----- (iii)

La ecuación (i) significa que la cantidad total de vaporLa cantidad de r generada debe ser igual a la disminución de la cantidad total de líquido. De manera similar, la ecuación (ii) significa que la pérdida de moles de A del destilador debido a la vaporización es igual a la cantidad de A en la pequeña cantidad de vapor generada.

Puesta ${\displaystyle dD=-dL}$en la ecuación (iii) y reordenando,

${\displaystyle {\frac {dL}{L}}}$=${\displaystyle {\frac {dx}{y^{*}-x}}}$ ------(iv)

Si la destilación comienza con F moles de alimentación de concentración y continúa hasta que la cantidad de líquido se reduce a W moles (composición = x _w ), la ecuación anterior se puede integrar para dar

${\displaystyle \textstyle \int \limits _ {F}^{W}\displaystyle {\frac {dL}{L}}}$ = ${\displaystyle \textstyle \int \limits _{x_{F}}^{x_{w}}\displaystyle {\frac {dx}{y^{*}-x}}}$${\displaystyle \longrightarrow \ln {\frac {F}{W}}}$ =${\displaystyle \textstyle \int \limits _{x_{w}}^{x_{F}}\displaystyle {\frac {dx}{y^{*}-x}}}$ ------(v)

La ecuación (v) es la ecuación básica de la destilación por lotes y se denomina ecuación de Rayleigh ^{[ 10 ]} . La ecuación de Rayleigh se utiliza para el cálculo de datos en la columna de destilación por lotes.

El BatchFrac es un modelo riguroso utilizado para la simulación de columnas de destilación por lotes presente en la biblioteca de modelos del software. También incluye las reacciones ocurridas en cualquier etapa de

El separador. El modelo BatchFrac no considera la hidráulica de la columna, y hay una retención de vapor insignificante y una retención de líquido constante. El modelado y la simulación de la unidad de destilación por lotes se realizan con la ayuda de uno de los simuladores de procesos más importantes (Aspen Plus) utilizados en la industria química con los siguientes datos proporcionados en la tabla y verifique el resultado de la simulación.

En la simulación de una columna de destilación por lotes utilizando el software Aspen Plus se llevan a cabo varios pasos  :

• Comprender el enunciado del problema y los datos del flujo de entrada.

• Especificar los componentes: agregue etanol y agua de la lista de componentes.
• Especificación del método de propiedad - UNIFAC
• Ve a la biblioteca de simulación
• Creación de diagramas de flujo con la ayuda de la biblioteca de modelos presente en el software; para la destilación por lotes , seleccione el modelo batchfrac de la biblioteca (figura 2).
• Especificar la información del flujo de entrada, que incluye la temperatura , la presión , el tipo de composición y el caudal de los componentes.

Temperatura = 373 K, Presión = 1 bar

Base de caudal = Volumen (50 L/h)

Tipo de composición = fracción molar

Etanol - 0,5, Agua - 0,5

• Especificar la información del bloque y el tipo de columna de destilación presente (tipo de olla + condensador superior).
• Configuración de ajustes: tipos de unidades globales utilizadas: METCBR
• Ejecutando la simulación
• Visualización del resultado: compruebe el resultado de las corrientes o la tabla de vapores obtenida al ejecutar la simulación (figura 3). De manera similar, podemos realizar simulaciones para otras columnas de destilación, como la destilación fraccionada, utilizando el modelo Redfrac de la biblioteca de modelos presente en el software.

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