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TEMA 3.- SIMULACIÓN EN LA SÍNTESIS DE PROCESOS
Los cálculos manuales para realizar la síntesis de procesos son tediosos y llevan mucho tiempo si el proceso es grande o complejo. Por ello se han desarrollado programas de ordenador para realizar esta tarea y facilitar esta etapa de diseño del proceso. Su uso permite a los diseñadores considerar diferentes alternativas a la hora de buscar el mejor proceso y las condiciones óptimas de operación. En este tema se verá también como es un simulador de procesos y como funciona.
La siguiente etapa en el diseño del proceso una vez realizado el diagrama de flujo es la preparación de los diagramas de tuberías e instrumentación o diagramas de ingeniería (diagramas P&I). Estos diagramas muestran los detalles de ingeniería del proceso, y se basan en el diagrama de flujo.
1.- SIMULADORES DE PROCESOS
Hasta finales de la década de 1970, era raro que un ingeniero químico tuviese posibilidad de usar un simulador de procesos. La mayoría de los balances de materia y energía se realizaban a mano por equipos de ingenieros. La simulación rigurosa de equipo de separación de múltiples etapas y los reactores complejos no se solía abordar y el diseño de esos equipos era una combinación de análisis simplificado, métodos simplificados de cálculo, y años de experiencia. Hoy en día, las empresas de ingeniería esperan que sus ingenieros recién licenciados estén familiarizados con una gran variedad de programas de ordenador, especialmente un simulador de procesos.
Estos paquetes de programas se usan para simular potenciales procesos en estado estacionario. Recientemente, estos paquetes se han ampliado para permitir la simulación dinámica de procesos y sus sistemas de control cuando responden a perturbaciones y cambios en los puntos de operación. Actualmente hay varios simuladores de procesos comerciales, como por ejemplo CHEMCAD, ASPEN PLUS, HYSYS, PRO/II. La posibilidad de usar estos programas es una gran ventaja para un ingeniero experimentado, pero puede ser peligroso en manos de un neófito. El problema de fondo es que el ingeniero sigue siendo el responsable del análisis de los resultados que da el ordenador.
Es habitual que durante la etapa de síntesis del proceso y durante la creación del caso base se usen simuladores de proceso para calcular cantidades de calor, necesidades energéticas, equilibrios de fase, equilibrios químicos, comportamiento de columnas multicomponentes, etc. En la la fabricación de productos químicos básicos es normal que a medida que van evolucionando los diagramas de flujo, los cálculos de los mismos se realicen suponiendo la operación en estado estacionario, por eso los simuladores de procesos en estado estacionario se han convertido en una herramienta clásica de los ingenieros de proceso. Lo mismo pasa con los procesos discontinuos para fabricar productos especiales. Es habitual usar cálculos similares pero usando simuladores de procesos discontinuos.
En este tema se van a ver los principios en que se basan los simuladores de procesos en estado estacionario y se va a utilizar un simulador comercial como el PRO/II de SimSci Ltd. Un objetivo del tema es mostrar como utilizar los simuladores de procesos durante la etapa de síntesis de procesos para definir mejor los procesos más prometedores.
2.- LA ESTRUCTURA DE UN SIMULADOR DE PROCESOS
En la Figura 1, columna izquierda, se muestran las principales características de los simuladores de procesos. Estos elementos son:
- Base de datos de componentes: Este bloque contiene las constantes necesarias para calcular las propiedades físicas de los modelos termodinámicos.
- Modelos termodinámicos: En este bloque están disponibles una gran variedad de opciones para calcular equilibrios líquido-vapor, equilibrios líquido- líquido, entalpías, y otras estimaciones de propiedades termodinámicas.
- Constructor del diagrama de flujo: Esta parte del simulador supervisa el flujo de las corrientes y el equipo que se simula. Esta información suele mostrarse de forma gráfica al igual que se construye de forma gráfica.
- Bloques de operaciones unitarias: Estos módulos permiten hacer los cálculos de los balances de materia y energía, así como algunos cálculos de diseño para una gran variedad de equipos de proceso.
- Generador de resultados: Esta parte del programa sirve para adaptar los resultados de la simulación a gusto del usuario en términos de un informe. También pueden obtenerse gráficas de perfiles de columnas, curvas de calentamiento, etc.
- Resolvedor del diagrama de flujo: Esta parte del simulador controla la secuencia de cálculos y la convergencia de la simulación. Elementos Básicos de Cálculo Secuencia de Etapas de Introducción en un Simulador de Procesos de Datos para una Simulación
Base de datos de componentes
Modelo Termodinámico
Construcción Diagrama Flujo
Bloques de Oper. Unitarias
Generador de Resultados
Selección de Criterios de Convergencia. Simulación
Selección de Compuestos Químicos
Selección de Modelos Termodinámicos
Introducción de la Topología del proceso
Selec. de Unidades y de prop. de las corr. de alimentación
Selección de Parámetros de Equipos
Selección de Opciones Salida de Resultados
Resolvedor del Diagrama Flujo
Figura 1.- Relación entre los elementos básicos de cálculo y los datos necesarios para resolver un problema de simulación de procesos.
- Areas de interés especial
De los tres tipos, el secuencial modular es el más utilizado. En este método, cada equipo se va resolviendo en secuencia, empezando por el primero, luego el segundo, etc. Se supone que toda la información necesaria para resolver cada equipo se ha introducido en el ordenador. Entonces, el resultado de un equipo dado, junto con la información específica del equipo, se convierten en los datos de entrada para resolver el siguiente equipo en la secuencia del proceso. En el caso de procesos sin recirculaciones, el método sólo necesita una iteración para llegar a la solución. El término iteración significa que cada equipo del diagrama sólo se resuelve una vez. No obstante, para cada equipo puede haber muchas iteraciones internas. El concepto se muestra en la Figura 2.
Figura 2.- Secuencia de solución usando un simulador secuencial modular para un proceso sin recirculaciones.
Corriente de recirculación rota
Figura 3.- Uso de corrientes de recirculación para resolver problemas con recirculaciones usando un simulador secuencial modular.
La secuencia de solución en el caso de procesos con corrientes de recirculación es más compleja, como se muestra en la Figura 3. En la Figura 3a se ve que el primer equipo en el lazo de recirculación, C, tiene una corriente de alimentación, r, desconocida. Esto lleva al concepto de corrientes rotas ( tear streams ). Una corriente rota, como indica el nombre, es una corriente que se ha roto. Si ahora se considera el diagrama de la Figura 3b, con esa corriente rota, se puede ver que si se da información sobre la corriente r2, la entrada al equipo C, se puede resolver el proceso usando el algoritmo secuencial
modular. Luego se comparan las corrientes r1 y r2. Si concuerdan dentro de una tolerancia especificada, se ha llegado a la solución. Si no es así, se modifica la corriente r2 y se repite el proceso de simulación hasta que se llegue a la convergencia.
En los simuladores se usan unidades de convergencia para esas corrientes de recirculación. En la mayoría de simuladores (y en PRO/II) esas unidades son transparentes, es decir, no son visibles para los usuarios. Son subrutinas que comparan las variables que se han calculado nuevamente con los valores supuestos inicialmente y que calculan nuevos valores supuestos cuando las dos corrientes no son idénticas dentro de los límites de tolerancia establecidos. El criterio de convergencia y el método para modificar la corriente r2 son variables y habitualmente se usan técnicas como la sustitución sucesiva multivariable, Wegstein, Newton-Raphson, etc.
Supongamos el diagrama de la Figura 3b. Se han especificado los valores de la corriente 1 y se ha elegido la corriente de recirculación r como la corriente a romper. Sea x* el valor de una variable particular (elemento) del vector r2 , la salida de la corriente de la unidad de convergencia, y sea f{x*} el correspondiente valor de la variable calculada correspondiente en la corriente r1 que entra en la unidad de convergencia, como se ha determinado tomando x* y calculando las unidades C, D, E y F en ese orden. El valor de x para iniciar la siguiente iteración lo determina la unidad de convergencia usando un método de convergencia de los indicados antes. Si usa el método de sustitución sucesiva, el nuevo valor supuesto para x se hace simplemente igual a f{x*}. Una secuencia de iteraciones puede mostrar la forma de la Figura 4a. Al cabo de cierto número de iteraciones, el lugar de las iteraciones corta a la línea de 45º, dando el valor convergido de x en la corriente r. Cuando la pendiente del lugar de las iteraciones es próxima a 1, puede que se necesiten muchas iteraciones para lograr la convergencia.
Lugar de^ Extrapolación iteraciones
Línea 45º^ Línea 45º
Figura 4.- Convergencia de un ciclo de recirculación: (a) método de sustitución sucesiva; (b) método de Wegstein.
El método de Wegstein se usa para acelerar la convergencia. Como se ve en la Figura 4b, las dos iteraciones previas de f{x*} y x* se extrapolan linealmente para obtener el siguiente valor de x como el punto de intersección con la línea de 45º. La ecuación de la extrapolación corresponde a:
f{x *} s 1
x* s 1
s x (^) ⎟ ⎠
donde s es la pendiente de la línea extrapolada. Una mejor expresión de la ec.(1) usa una función ponderada definida por q = s/(s-1) , dando:
x = qx*−( 1 −q)f{x *} (2)
4.2.2- Entalpía
Aunque los simuladores calculan con precisión aceptable los calores específicos de los compuestos puros, no ocurre lo mismo con las entalpías de cambios de fase. Si el calor de vaporización es importante en los cálculos, no conviene usar ecuaciones de estado para calcularlo. Es mejor usar otras opciones como por ejemplo la “ideal”. Si el compuesto está por encima o cercano a su temperatura crítica, entonces hay que usar ecuaciones de estado, pero hay que tener cuidado si hay sustancias polares, tales como el agua, como se ve en el siguiente ejemplo.
Ejemplo.- Se va a enfriar una corriente de gas a 3000ºF de la siguiente concentración por evaporación de 500 kg/h de agua que entran a 70ºF. Suponer presión atmosférica.
H 2 22.72 kg/h N 2 272. CO 268. HCl 26.
Realizar una simulación para determinar la temperatura final de la corriente de gas enfriado con el modelo termodinámico SRK y con el modelo ideal.
Con el modelo SRK se obtiene una temperatura de salida de 480ºF y con el ideal de 348ºF. En este caso la respuesta con el modelo ideal se acerca más a la realidad porque las ecuaciones de estado no son adecuadas en este caso para estimar el calor de vaporización del agua. El modelo ideal usa el valor determinado experimentalmente de la entalpía de vaporización.
4.2.3- Equilibrios de fase
Hay que tener mucho cuidado con los modelos para equilibrios de fase. Conviene usar datos experimentales para calcular parámetros del modelo, o por lo menos saber la desviación entre las predicciones del modelo y los datos experimentales.
Hay dos tipos de modelos para esto: ecuaciones de estado y modelos basados en el coeficiente de actividad del líquido. Una ecuación de estado es una ecuación algebraica para la presión de una mezcla en función de la composición, volumen y temperatura. Mediante relaciones termodinámicas estándar, se puede calcular la fugacidad de la mezcla, su entalpía, etc. Estas propiedades se pueden calcular para cualquier densidad, por eso se pueden determinar propiedades de líquido, de vapor y de estado supercrítico.
Los modelos de coeficiente de actividad, sólo se pueden usar para calcular fugacidades de líquido y entalpías de mezcla. Estos modelos consisten en ecuaciones algebraicas para el coeficiente de actividad, γi, en función de la composición y temperatura de la mezcla. Como el coeficiente de actividad no es más que un factor de corrección del modelo de solución ideal, no se puede usar para compuestos supercríticos o incondensables.
Las ecuaciones de estado se recomiendan para sistemas sencillos (moléculas pequeñas, no polares) y en zonas (sobre todo en condiciones supercríticas) donde los modelos de coeficiente de actividad no son apropiados. Para mezclas complejas de líquidos es mejor usar modelos de coeficiente de actividad, pero sólo si se dispone de todos los parámetros de interacción binarios.
Ecuaciones de estado
El modelo de fugacidad por defecto suele ser normalmente el SRK (Soave-Redlich- Kwong) o el PR (Peng-Robinson). Estos métodos usan normalmente tres parámetros de los compuestos puros por sustancia y un parámetro de interacción binaria por cada par binario. Dan resultados cualitativamente buenos incluso en la región supercrítica, pero no predicen bien los cambios de entalpía y (salvo para hidrocarburos ligeros) no dan resultados cuantitativamente precisos para los equilibrios de fase. El equilibrio de fase que predicen los simuladores depende mucho de los parámetros de interacción binaria (BIP en inglés). Los simuladores tienen opciones de regresión para determinar esos parámetros a partir de datos experimentales de equilibrio. Conviene luego realizar simulaciones con pequeñas variaciones de esos parámetros para ver la incertidumbre de los resultados. Si el simulador da los parámetros de interacción binaria y el usuario no tiene evidencia de si una ecuación de estado es mejor que otra, deben hacerse simulaciones separadas con cada una de las ecuaciones de estado. La diferencia en los resultados es una medida de la incertidumbre introducida en la simulación debida a los modelos. Si se dispone de datos de los parámetros de interacción binaria para solo unos pocos pares binarios, hay que tener cuidado. Suponer que los parámetros desconocidos tienen un valor de cero puede ser peligroso. Se pueden usar con precaución métodos de contribución de grupos para estimar esos parámetros de interacción binarios para ecuaciones de estado. Normalmente hay entre 6 y 10 opciones de ecuaciones de estado y unas pocas opciones de reglas de mezcla. Para componentes polares o para cortes pesados de productos petrolíferos, conviene consultar la ayuda del simulador. Para la mayoría de los sistemas con hidrocarburos y gases lineros, una ecuación de estado suele ser la mejor elección. Inicialmente se debe elegir la ecuación de Peng- Robinson o la de Soave-Redlich-Kwong. Se pueden usar datos de equilibrio LV para calcular los parámetros de interacción binarios gracias a las herramientas de regresión de los simuladores. Esta regresión se hace por separado para cada ecuación de estado. Aquella que proporcione el mejor ajuste es la que debe usarse. Ejemplo.- Use las ecuaciones de estado de Peng-Robinson y de Soave-Redlich- Kwong para calcular el caudal molar de metano vapor de un flash en las siguientes condiciones: Temperatura: 225 K Presión: 60.78 bar Caudales: CO 2 6 kmol/h H 2 S^ 24 kmol/h Metano 66 kmol/h Etano 3 kmol/h Propano 1 kmol/h Compare los resultados con los BIPs del simulador y con los BIPs igual a cero.
no están correlacionados de un modelo a otro. Si un par binario tiene parámetros de interacción para NRTL o para UNIQUAC, los parámetros de interacción de ese par pueden servir para los dos modelos. Si no lo son, hay que encontrar los datos originales y ajustar los parámetros de interacción para el otro modelo.
- Si se pueden encontrar datos de equilibrio para los pares binarios que no tienen parámetros de interacción en el simulador, se hace una regresión y se obtienen los parámetros de interacción binaria para esos pares.
- Para pares binarios que no tienen datos de equilibrio, se usa la opción de estimación UNIFAC para estimar los parámetros binarios. Hay dos métodos UNIFAC, uno para ELV y otro para ELL.
- Si la operación en que estamos interesados es una extracción o cualquier otra en la que haya ELL o ELLV y tenemos datos ternarios, se comprueban las predicciones de los tres modelos de coeficientes de actividad para el ELL ternario.
- Uno de los tres métodos suele mostrar un mejor ajuste que los otros. Este método y el segundo mejor se usan para la simulación. Comparando los dos resultados se tiene una idea de la incertidumbre en los cálculos.
- Si las predicciones del modelo elegido no se ajustan a los datos medidos, es necesario un análisis de incertidumbre más detallado. El modelo UNIFAC no debe usarse si hay datos experimentales disponibles para el sistema binario. El modelo UNIFAC es un método de contribución de grupos para determinar los parámetros binarios para el modelo UNIQUAC. Sólo se necesita la estructura química, pero los cálculos no son muy precisos. Para muchos sistemas, un modelo como UNIFAC puede ser la única opción. Si es así, puede ser difícil incluso realizar una cruda estimación de la incertidumbre. Si se puede encontrar un dato de equilibrio de fases para el sistema, su desviación respecto de lo que predice el modelo puede servir como una estimación de la incertidumbre.
Para verificar un modelo puede servir cualquier dato experimental de equilibrio de fases. No hace falta que sea un dato del tipo de los que se obtienen en el laboratorio. Si se sabe la recuperación obtenida en una columna para un conjunto de condiciones, por ejemplo, y si sólo se conoce un parámetro de interacción, se puede calcular el otro parámetro de interacción de forma que se reproduzcan los datos experimentales. Esos datos a veces se pueden encontrar en patentes.
Todo lo dicho hasta ahora se refiere a sistemas fáciles: moléculas pequeñas, no polares o poco polares en el caso de ecuaciones de estado, y sustancias que no sean electrolitos ni poliméricas muy por debajo de su temperatura crítica para modelos de coeficiente de actividad de líquido. La mayoría de simuladores tienen modelos para estas sustancias: electrolitos y polímeros, pero no son muy fiables salvo para sistemas sencillos. La clave es, como antes, encontrar algunos datos para verificar y calibrar esos modelos.
Resumiendo, hay que usar el mejor modelo termodinámico basándose en lo indicado anteriormente, pero conviene repetir las simulaciones con otros modelos que se crean igual de buenos, o con otros parámetros para el mismo modelo. Los datos experimentales que se usen para hacer las regresiones conviene que correspondan a condiciones similares a las de la simulación.
4.3.- Introducción de la topología del diagrama de flujo
La forma más conveniente de introducir la topología del diagrama de flujo del proceso es hacer un dibujo en una hoja de papel y tenerlo delante cuando se construya el diagrama en el simulador. Cada vez que una corriente se divide o que varias corrientes se juntan, hay que incluir un módulo de equipo del simulador. Estas unidades se denominan “fantasmas” porque no son reales, sólo aparecen en el diagrama del simulador. La topología del diagrama de flujo se puede introducir de forma gráfica y mediante comandos de sentencias con el teclado del ordenador. El simulador utiliza ciertas reglas a la hora de numerar el equipo y las corrientes. Suelen ir numeradas de forma secuencial siguiendo el orden de aparición. El usuario puede cambiar esta numeración si lo desea.
4.4.- Selección de las propiedades de las corrientes de alimentación
Como se ha indicado antes, los simuladores secuenciales modulares exigen que se especifiquen todas las corrientes de alimentación. Además de esto hay que introducir estimaciones de las corrientes de recirculación. Aunque las propiedades de las corrientes de alimentación suelen estar bien definidas, puede darse cierta confusión sobre el número y tipo de variables que hay que especificar para definir totalmente estas corrientes. En general, las corrientes de alimentación tendrán n componentes y serán de una o dos fases. En estos casos, la corriente queda totalmente definida con n+ especificaciones. La explicación se puede obtener de la regla de las fases. Dando el caudal de cada componente en la alimentación ya se han gastado n especificaciones. Las otras dos deben ser independientes. Por ejemplo, si la corriente es una sola fase, dando su temperatura y presión queda definida la corriente. La temperatura y la presión también definen una corriente multicomponente que tenga dos fases. Pero, si la alimentación consiste en un solo componente y dos fases, la temperatura y la presión no son independientes. En este caso habría que especificar la fracción de vapor y bien la temperatura o bien la presión. La presión de vapor se puede usar también para especificar un sistema multicomponente de dos fases, pero en ese caso, sólo se podrá usar la temperatura o la presión para especificar completamente la corriente. Para evitar confusiones, se recomienda especificar la fracción de vapor sólo para corrientes de un solo componente de vapor saturado o líquido saturado y para corrientes de dos fases.
4.5.- Selección de parámetros de los equipos
Merece la pena indicar que los simuladores, en la mayoría de los casos, están estructurados para resolver balances de materia y energía, cinéticas, relaciones de equilibrio químico de reacción, relaciones de equilibrios de fases, y relaciones de comportamiento de equipos para aquellos equipos donde se hayan especificado suficientes variables de diseño de proceso. Por ejemplo, considérese el diseño de un extractor líquido-líquido para separar el 98% de un compuesto en una alimentación usando un determinado agente extractor. Un simulador de procesos no puede resolver este problema directamente, es decir, no puede calcular el número de etapas de equilibrio para lograr esa separación. El problema habrá que resolverlo a tanteo. Se especifica el número de etapas del extractor y se varía este número hasta que se logre la recuperación deseada. En otros casos, como es el caso de reactores de flujo pistón, el simulador puede resolver el problema directamente, es decir, calcular el volumen del
ha obtenido una solución satisfactoria, se puede ir al otro nivel repitiendo la simulación suministrando más datos al simulador.
A continuación se muestran las unidades más utilizadas en el simulador PRO/II:
Mezcladores y divisores
MIXER Combina dos o más corrientes
SPLITTER Divide una corriente en dos o más Flash FLASH Calcula el estado termodinámico de cualquier corriente dadas dos variables para realizar los cálculos de equilibrio Columna destilación COLUMN Divide corrientes en sus componentes basándose en su temperatura y presión. Por defecto incluye un condensador y un hervidor Cambiador de calor HX Calienta o enfría una corriente de proceso, inercambia calor entre dos corrientes o entre una corriente de proceso y un servicio HXRIG Simula un cambiador de carcasa y tubos siguiendo normas TEMA, calculando de forma rigurosa el intercambio de calor y la pérdida de carga LNGHX Intercambia calor entre varias corrientes calientes y frias; identifica cruces de temperatura Reactores REACTOR Modela reacciones simultáneas definidas por la fracción convertida EQULIBRIUM Modela una reacción definida por su aproximación a la temperatura de equilibrio o como una aproximación fraccional al equilibrio químico GIBBS Simula un reactor de una fase con mínima de energía libre de Gibbs CSTR Simula un reactor continuo de mezcla perfecta; adiabático, isotermo o de volumen constante PLUG Simula un reactor tubular de flujo pistón Bombas, compresores y turbinas
PUMP Aumenta la presión de una corriente
COMPRESSOR Comprime la coriente de alimentación siguiendo la expecificación dada EXPANDER Expande una corriente hasta las condiciomnes especificadas y determina el trabajo producido VALVE Simula una pérdida de carga PIPE Simula la pérdida de carga en una tubería
La estructura del simulador determina los datos necesarios que hay que introducir para cada equipo. Esa información vendrá en el manual del simulador. A continuación se van a indicar los datos necesarios para simulaciones de Nivel 1.
- Bombas, compresores y turbinas de recuperación de potencia (expansores). En el caso de bombas hay que suministrar el valor de la presión deseada de salida del fluido o el incremento deseado de presión. En el caso de compresores y turbinas, la presión del fluido a la salida de la turbina o la variación de presión. Además, es necesario indicar el modo de compresión o expansión: adiabático, isotermo o politrópico.
- Cambiadores de calor. Para cambiadores con una corriente de proceso intercambiando calor con una corriente de servicio, todo lo que se necesita es la condición de la corriente de proceso a la salida del equipo. Puede ser la presión y temperatura a la salida (corrientes de una sola fase) o la presión y la fracción de vapor (corrientes bifásicas). Para cambiadores con dos o más corrientes de proceso intercambiado calor, se necesita las condiciones de salida de ambas corrientes (presión y temperatura o fracción de vapor). Conviene ver los perfiles de temperatura para cerciorarse de que no se han cruzado las temperaturas fría y caliente.
- Hornos. Se necesitan los mismos datos que en los cambiadores de calor.
- Mezcladores y divisores. Ya se ha dicho que no son más que simples tes en tuberías. Los mezcladores representan puntos donde se unen dos o más corrientes. Sólo se necesita la presión a la salida o la pérdida de carga. Normalmente se puede suponer cero ya que la pérdida de carga por la mezcla de corrientes es despreciable. Si las corrientes que entran al mezclador están a diferentes presiones, la presión de salida se supone la menor de todas las corrientes que entran. Los divisores son puntos donde una corriente de proceso se divide en dos o más corrientes con diferentes caudales pero la misma composición. La información necesaria es la presión a la salida o la pérdida de carga, y los caudales relativos de las diferentes corrientes que salen. Normalmente las corrientes que salen están a la misma presión que la corriente de entrada.
- Válvulas. Se necesita la presión de salida o la pérdida de carga.
- Reactores. La forma de especificar los reactores depende de la información de entrada necesaria y de la clase de reactor. Normalmente hay tres clases de reactor: Reactor de Conversión, Reactor Cinético (flujo pistón o mezcla perfecta), y Reactor de Equilibrio. Los tres tipos necesitan datos relacionados con el modo térmico de operación: adiabático, isotermo, cantidad de calor añadida o retirada. También se necesita información adicional:
- Reactor de Conversión. Es el tipo más sencillo. Los datos necesarios son el número de reacciones y la estequiometría de las mismas, la temperatura y presión, y la conversión del reactivo limitante. No se necesita la configuración del reactor. Se calculan los balances de materia y energía.
- Reactor Cinético (Flujo Pistón y Mezcla Perfecta). Este tipo se usa para simular reacciones donde se conoce sus expresiones cinéticas. Hay que dar como datos el número de reacciones y su estequiometría. También se necesitan las constantes cinéticas y la forma de la ecuación cinética. Igualmente hay que indicar si el reactor es de flujo pistón o de mezcla perfecta. Hay opciones para simular enfriamiento o calentamiento de los reactivos para obtener perfiles de temperatura en el reactor.
situación de los platos de alimentación, la situación de las salidas laterales si las hay. Además, el número total de especificaciones debe ser igual al número de productos (cabeza, colas, corrientes laterales) obtenido. En el simulador suele haber varios módulos rigurosos. La diferencia estriba en los algoritmos de solución y en el tamaño y complejidad del problema que pueden manejar. Estos módulos rigurosos sirven también para simular otras operaciones, como absorción, extracción líquido-líquido, etc. Estos módulos son complicados de usar y siempre hay que comprobar que las especificaciones dadas para las corrientes de productos no violan el balance de materia. Si hay problemas y no se logra que converja la solución, siempre se puede lograr especificando un reflujo y la carga térmica del hervidor. Esto, aunque lógicamente no de las purezas especificadas, puede servir como casi base que permita modificar los valores del reflujo y de la carga térmica del hervidor hasta lograr las purezas deseadas.
- Destilación por cargas. Es similar al módulo riguroso, salvo que las alimentaciones y las corrientes de productos no son continuos sino programados. Por tanto, hay que especificar los tiempos de inicio y final de las alimentaciones y productos y el simulador genera una serie temporal de concentraciones y temperaturas en los platos.
- Absorbedores y agotadores. Estas unidades se suelen simular con el módulo de destilación rigurosa. La principal diferencia consiste en que estas unidades no tienen normalmente condensadores y hervidores. Otra diferencia es que hay dos alimentaciones a la unidad, una que entra por arriba (el líquido) y otra por abajo (el gas).
- Extractores líquido-líquido. Se suelen hacer con un módulo riguroso que simule equipos con múltiples etapas. El modelo termodinámico debe poder predecir la existencia de dos fases líquidas.
4.6.- Selección de opciones para ver los resultados de la simulación
Suele haber varias opciones para ver los resultados. Normalmente se puede generar un fichero de resultados adaptándolo a los gustos del usuario. También se puede obtener un diagrama de flujo de la simulación, diagramas temperatura-energía para los cambiadores de calor, caudales de líquido, vapor y perfiles de temperatura y composición para equipos de múltiples etapas, una gran variedad de diagramas de fases para las corrientes.
4.7.- Selección de criterios de convergencia
Para aquellos equipos cuyo procedimiento de solución sea iterativo, hay criterios de convergencia y tolerancia en el módulo del equipo, que pueden modificarse a gusto del usuario.
Los dos criterios más importantes son el número de iteraciones y la tolerancia. Estos criterios suelen tener valores por defecto. Salvo que haya problemas específicos, conviene usar estos valores por defecto.
Cuando no se logra la convergencia, suele deberse a tres causas principales, siendo la primera la más habitual:
1.- El problema está mal planteado. Normalmente alguna especificación del equipo está mal dada. 2.- La tolerancia para la convergencia es demasiado estricta, por lo que no puede lograrse pese a que se aumente el número de iteraciones. 3.- El número de iteraciones especificado es insuficiente. Suele pasar si el diagrama de flujo tiene muchas recirculaciones. Volviendo a realizar la simulación partiendo de los resultados previos puede llevar a la convergencia. Si no es así, conviene quitar recirculaciones para simplificar el problema y lograr la solución. Posteriormente se van añadiendo las recirculaciones eliminadas previamente, una a una.
5.- MANEJO DE CORRIENTES DE RECIRCULACIÓN
Las corrientes de recirculación son muy importantes y habituales en los diagramas de flujo. Desde el punto de vista de cálculo, son difíciles de manejar y suelen dar problemas de convergencia. Hay medios para minimizar estos problemas. Cuando se simula un diagrama por vez primera conviene considerar cuidadosamente todas las simplificaciones que puedan ayudar a mejorar la convergencia.
(a) Recirculación de Metanol Producto
Bomba (^) Camb. (^) Camb. React.. Camb. Colum
Camb.
Colum
Metanol
Subproducto
(b) Producto
Bomba (^) Camb. Camb. React.. (^) Colum
Colum
Pseudosalida de Metanol Camb. Camb.
Metanol
Camb.
Subproducto
Figura 6.- Diagrama de bloques para un proceso. (a) Estructura con recirculaciones, (b) Eliminación de las recirculaciones.
Véase el diagrama mostrado en la Figura 6a. Este proceso es sencillo, no se forman subproductos, las separaciones son fáciles, y el metanol reactivo se puede purificar antes de ser recirculado. Es evidente que hay dos corrientes de recirculación. La primera es el metanol sin reaccionar que se recircula. El segundo lazo de recirculación se debe al esquema de integración de calor usado para precalentar la alimentación al reactor con la
6.- SÍNTESIS DEL PROCESO DE HIDRODEALQUILACIÓN DE TOLUENO
En este apartado se va a usar un simulador para ayudar a realizar las etapas presentadas en el tema anterior para la síntesis de un proceso de hidrodealquilación de tolueno. Este proceso estuvo en vigor al finalizar la Segunda Guerra Mundial para convertir grandes cantidades de tolueno (usado en la fabricación de explosivos) en benceno como materia prima de ciclohexano. La reacción principal es:
C 7 H 8 +H 2 →C 6 H 6 +CH 4
junto con la reacción no deseada:
2 C 6 H 6 →C 12 H 10 +H 2
Los datos de laboratorio indican que la reacción es irreversible, sin catalizador, a temperaturas entre 1200-1270ºF con una conversión aproximada del 75% molar de tolueno a benceno y aproximadamente un 2% de benceno producido en la reacción de hidrodealquilación convertido en bifenilo. Como las reacciones transcurren en serie en una unidad, solo hace falta un reactor. La capacidad de la planta se basa en la conversión de 274.2 lbmol/h de tolueno o aproximadamente 200 millones de libras/año, suponiendo una operación de 330 días/año.
Una distribución de productos químicos conlleva un gran exceso de hidrógeno gas para evitar la deposición de carbón y absorber buena parte del calor de la reacción exotérmica de hidrodealquilación. Para evitar una separación cara del metano producido del hidrógeno, se usa una corriente de purga por donde el metano sale del proceso, con, inevitablemente, una cantidad de hidrógeno. Como el comportamiento del sistema de separación, que se estudiará en una etapa posterior, aún no se conoce, la cantidad de hidrógeno que acompaña al metano todavía no se sabe. Las fuentes y sumideros de los productos químicos se pueden conectar y se puede calcular la recirculación de tolueno basándose en la suposición de una conversión del 75% de tolueno y en que todo el tolueno se recupera en la separación. A 1268ºF y 494 psia, una presión típica de operación, el calor de reacción es 5.84x 106 Btu/h. En la Figura 7 se muestra la distribución de los productos químicos.
H 2 549 lb/h +?
Calor liberado por reacción 5.84 x 106 Btu/hr
Hidrodealquilación
Figura 7.- Distribución de productos en la hidrodealquilación de tolueno.
Una selección de las operaciones de separación, mostrada en la Figura 8, comprende un separador flash a 100ºF y presión algo inferior a la del reactor para tener en cuenta las pérdidas de carga, a 484 psia. El producto líquido se lleva al tren de destilación donde
primero se separan el hidrógeno y el metano, seguidos por el benceno y el tolueno. Todavía no se conocen las presiones de las columnas de destilación. Habrá que calcularlas de forma que se pueda usar agua como medio refrigerante en los condensadores, es decir, las presiones se calculan de forma que las temperaturas de burbuja o de rocío de las corrientes de vapor condensen a 130ºF o algo más. Eso puede hacerse con un simulador. Purga
H 2 549 lb/h +? 70ºF, 569 psia Columna Destilación
Columna Destilación Columna C 7 H 8 Hidrodealquilación Destilación 25,262 lb/h 75ºF, 569 psia
Figura 8.- Diagrama incluyendo las operaciones de separación.
El siguiente paso consiste en poner operaciones para cambiar las temperaturas, presiones y fases allá donde haya diferencias entre las operaciones de reacción y separación así como para las fuentes de materias primas y productos. En este proceso, las corrientes de alimentación de tolueno y de hidrógeno se supone que están a presión elevada, por encima de la presión del reactor. Si este no fuese el caso, habría que insertar las operaciones apropiadas para aumentar la presión de esas corrientes. En la Figura 9 se muestra un diagrama con las operaciones de cambio de temperatura, presión y fase para la sección de reacción. Purga
Cambio presión
Cambiotemper. Cambio presión^ Hidrodealquilación^ Cambiotemper. Cambiopresión
Figura 9.- Sección de reacción del proceso con las operaciones de cambio de temperatura, presión y fase.
