Diseño Control y Obtencion de Acetato de Butilo
Diseño Control y Obtencion de Acetato de Butilo
Diseño Control y Obtencion de Acetato de Butilo
ASIGNATURA :
SIMULACION DE PROCESOS
DOCENTE :
INTEGRANTES :
Observe que las energas de activacin son esencialmente las mismas, lo que
significa que la reaccin heatof es pequea y tambin que la constante de
equilibrio disminuye slo ligeramente con el aumento de la temperatura.
Muestra la dependencia de la temperatura de las velocidades de reaccin
especficas directa e inversa (kF y kR) y de la constante de equilibrio qumico
(KEQ). Ms adelante en el captulo justificaremos la seleccin de una
temperatura del reactor de 350 K de modo que las velocidades de reaccin
especficas sean lo suficientemente elevadas como para conducir la reaccin
esencialmente al equilibrio en un pequeo reactor de tanque de agitacin
continuo de 4 m3 (CSTR).
Obsrvese que la velocidad de reaccin directa depende del producto de las
dos concentraciones de reactivos CMeAcCBuOH. La misma velocidad de
produccin se puede conseguir teniendo cualquier nmero de concentraciones
de reactivos, de modo que el producto de las concentraciones sea el mismo. La
concentracin de metanol podra ser grande y la concentracin de butanol
podra ser pequea. O lo contrario podra ser cierto. Estas concentraciones
dependen de los flujos relativos de los dos reciclos.
La reaccin y el sistema de segundo orden son similares a los estudiados hace
casi dos dcadas utilizando el equilibrio ideal del lquido de vapor (Tyreus y
Luyben5). En este trabajo anterior, hay dos corrientes de reciclo, una corriente
de reciclado pesada desde el fondo de la primera columna de destilacin y una
segunda corriente de reciclado ligero desde la parte superior de otra columna
de destilacin. La economa favoreci el uso de una mayor cantidad de
reciclado pesado que la luz reciclar porque el reciclado pesado no tena que ser
vaporizado. Este resultado es intuitivo y esperamos que sea generalmente
cierto en muchos procesos con qumica similar, equilibrio de fase y topologa de
flujo de trabajo
El proceso considerado en el presente trabajo utiliza sustancias qumicas
reales que exhiben comportamiento noideal VLE y requieren entradas de
energa con diferentes costos, dependiendo del nivel de temperatura en la base
de la columna. El resultado de estas diferencias entre sistemas ideales y no
ideales es el resultado contrario al intuitivo que debera haber ms reciclado de
luz que reciclar pesado.
1.3Equilibrio Vapor-Lquido
El equilibrio de fase de este sistema de cuatro componentes es complejo
debido a la existencia de dos azetropos binarios. Utilizando las propiedades
fsicas de NRTL (segn lo recomendado por Jimnez y Costa-Lopez1), Aspen
Plus predice dos azetropos binarios:
1. El acetato de metilo y el metanol forman un azetropo homogneo de punto
de ebullicin mnimo con una composicin de 66,13% en moles de acetato de
metilo a 1,1 atm y 329,2 K. Vase la figura
2. El butanol y el acetato de butilo forman un azetropo homogneo de punto
de ebullicin mnimo con
Composicin de 78,06% en moles de butanol a 1 atm y 389,9 K. Vase la
figura 8.3a. A 2 atm, la composicin azeotrpica es 95,72% en moles de
butanol. El azetropo desaparece cuando la presin se eleva a
aproximadamente 3 atm. Sin embargo, un pellizco severo en el alto final del
buta-nol de la curva del xy todava existe. En este estudio se utiliza una presin
de funcionamiento de 4 atm para disminuir el pellizco (vase la figura 8.3b),
pero se encuentra que la pureza del destilado de slo 90% en moles de butanol
es el ptimo econmico para la corriente de reciclado de butanol. A una presin
de 4 atm, la temperatura de base en la columna de destilacin de 459 K
requiere el uso de vapor de alta presin (42 atm).
1.4.1Reactor
1.4.2 Columna C1
El efluente del reactor se alimenta a la columna C1, que divide los dos
componentes ligeros de los dos componentes pesados. El acetato de metilo y
el metanol se toman por encima mientras que el butanol y el acetato de butilo
salen en el fondo. La columna tiene 37 etapas y se alimenta en la Etapa 20.
Utilizamos la convencin de numeracin de bandejas de Aspen de las bandejas
de recuento desde la parte superior con el condensador como Etapa 1.
Las especificaciones de esta columna son algo inusuales. Los componentes
clave no son adyacentes en trminos de puntos de ebullicin. Los puntos de
ebullicin normales del acetato de metilo, metanol, butanol y acetato de butilo
son 330,1, 337,8, 390,8 y 399,3 K, respectivamente. As que la separacin en
esta columna debe ser para evitar que el butanol pase por encima y el metanol
salga por el fondo. Pero como muestran los datos de la corriente mostrados en
la Figura 8.4, la concentracin de butanol en el destilado es mucho menor que
la concentracin de acetato de butilo. En los bot-toms, la concentracin de
metanol es mucho menor que la concentracin de acetato de metilo. Este
comportamiento extrao puede ser el resultado de los azetropos. La
especificacin para el destilado es de 0,1% en moles de acetato de butilo.
La especificacin para los fondos es que la suma del metanol y del acetato de
metilo es 0,1% en moles. Para algunos valores de parmetros, la impureza
dominante en los fondos es metanol, pero para otros valores de parmetros, la
impureza dominante en los fondos es acetato de metilo. La suma de las
composiciones se obtiene en el modelo Radfrac en Aspen Plus seleccionando
ambos componentes como el componente seleccionado en la caracterstica de
especificacin de diseo.
El RR requerido en la columna C1 es de 0,317 y el servicio trmico del
recalentador es de 3,64 MW. El vapor de baja presin se utiliza en el rehervidor
(433 K a 6 atm) ya que la temperatura de base es 401 K. La columna funciona
con una presin de condensador de 1,2 atm, lo que da una temperatura de
tambor de reflujo de 333 K y permite la Uso de agua de refrigeracin en el
condensador.
1.4.3 Columna C2
La columna funciona con una presin del condensador de 4 atm, lo que da una
temperatura del tambor de reflujo de 437 K. Como se ha indicado
anteriormente, esta temperatura es suficientemente alta para permitir la
integracin del calor con el rebobinador a baja temperatura (344 K) en la
columna C2 .
Las figuras 8.5 a 8.7 dan perfiles de temperatura y composicin para las tres
columnas de destilacin. El sistema de control desarrollado posteriormente en
la Seccin 8.5 usar estos perfiles de temperatura para seleccionar bandejas
apropiadas para el control de la temperatura.
Figure: Column C1 (a) temperature profile, and (b) composition profiles.
Figura: Perfil de temperatura de la columna C2 (a), y (b) perfiles de la
composicin.
1.5 Convergencia de Flowsheet
Con la temperatura del reactor fijada en 350 K y el volumen del reactor fijado
en 4 m3, se cambi la variable de optimizacin de diseo Btot en un intervalo
de valores y se evalu la economa del proceso. Estos clculos se repitieron
para varios valores de la impureza de acetato de butilo en el reciclado de
butanol de la columna C3. Los costos de capital incluyen el reactor, tres
columnas de destilacin, tres condensadores y tres rehervidores. Los costos de
energa son los insumos de calor del recalentador de las tres columnas. El
costo del vapor de baja presin utilizado en los rehervidores de las columnas
C1 y C2 es $ 7.78 / GJ. El costo del vapor de alta presin utilizado en el
rehervidor de la columna C3 es $ 9.83 / GJ.
Los tres grficos de la derecha muestran cmo se afectan los insumos de calor
del recalentador. La energa requerida en la columna C1 (QR1) no cambia
mucho a medida que Btot cambia pero aumenta ligeramente a medida que
aumenta la impureza del acetato de butilo. A medida que Btot aumenta, la
energa requerida en la columna C2 (QR2) para producir el Mtot disminuye, ya
que Mtot disminuye, pero la energa requerida en la columna C3 (QR3)
aumenta.
Los grficos de la parte media e inferior del lado izquierdo de la figura 8.8
muestran los efectos netos de estas variables sobre el TAC y el costo total de la
energa. Ambas variables pasan por un mnimo de aproximadamente 180
kmol / h de Btot, por lo que este caudal se selecciona para el diseo final. Las
impurezas de acetato de butilo en el reciclado de butanol inferior o superior al
10% conducen a incrementos en los costos de TAC y energa.
Los resultados muestran slo ligeros cambios con respecto a los utilizados en
la obra original. Las etapas de la columna C1 se aumentan de 32 a 37. Las
etapas de la columna C2 se reducen de 32 a 27. Las etapas de la columna C3
se reducen de 52 a 47.
En las tres columnas, se explor la eficacia del uso del control de temperatura
de extremo nico usando un "anlisis de sensibilidad a la alimentacin" en
estado estacionario. Se hicieron cambios en las composiciones de
componentes de componentes ligeros y pesados en la columna, con el
destilado y Composiciones de fondo contenidas en sus valores especificados.
Se examinaron los cambios requeridos en RR y relacin de reflujo a alimento
(R / F). Si cualquiera de estos mostr poco cambio con variaciones en la
composicin de la alimentacin, una estructura de extremo nico podra
considerarse eficaz.
La ubicacin de la bandeja que tendr su temperatura controlada se seleccion
encontrando la posicin en el perfil de temperatura en cada columna donde
hubo un cambio grande de temperatura de bandeja a bandeja.
1.7.1 Columna C1
1.7.3 Columna C3
4. El nivel del lquido del reactor se controla manipulando el lquido del reactor.
5. Las presiones en las tres columnas se controlan manipulando la absorcin
de calor del condensador.
Control de relacin QR1 / F1. La solucin obvia a este problema es usar una
relacin de avance de vapor a alimentacin de manera que el cambio en el
caudal de alimentacin provocar inmediatamente un cambio apropiado en la
entrada de calor del caldern. Las lneas slidas de la Figura 8.10 demuestran
la mejora obtenida mediante el uso de esta estructura de control revisada. El
aumento en la temperatura de la Fase 22 se reduce en gran medida para la
cada del 20% en el rendimiento, y poco acetato de butilo es impulsado por
encima. Por lo tanto, el uso de la relacin QR1 / F1 se incluye en la estructura
de control de toda la planta. El regulador de temperatura debe ser reajustado
para esta estructura de control modificada en la que la seal de salida del
controlador de temperatura es una de las entradas del multiplicador QR1 / F1.
La otra entrada es la alimentacin a la columna C1.
Se encontr que la respuesta dinmica del proceso era bastante buena para
los cambios en el rendimiento. Ambos flujos de producto (B2 y B3) se
mantuvieron cerca de sus especificaciones. La figura 8.11 da una serie de
variables importantes en todo el sistema. Las lneas slidas son para un
aumento del 20% en el rendimiento. Las lneas discontinuas son para un 20%
disminuye. Se logra un control reglamentario estable. La pureza del producto
de metanol B2 se mantiene bastante prxima a la especificacin de 98,7% en
moles de metanol, a pesar de algunos cambios en el acetato de butilo que va
por encima de la columna C1. La pureza del producto de acetato de butilo B3
se mantiene prxima a su especificacin.
Sin embargo, cuando se introdujeron alteraciones de la composicin del
alimento, la pureza del producto de metanol no se mantuvo constante. La figura
8.12 da los resultados cuando la composicin de la alimentacin se cambia a
tiempo igual a 0,2 horas. Las lneas slidas son cuando la alimentacin se
cambia de 60% en moles de acetato de metilo y 40% en moles de metanol a
70% en moles de acetato de metilo y 30% en moles de metanol. Las lneas
discontinuas son cuando la alimentacin se cambia de 60% en moles de
acetato de metilo y 40% en moles de metanol a 50% en moles de acetato de
metilo y 50% en moles de metanol.
Las Figuras 8.14 y 8.15 muestran cmo las variables importantes a lo largo del
proceso cambian dinmicamente frente a grandes perturbaciones en el caudal
de alimentacin y la composicin de la alimentacin cuando se usa la
estructura de control de doble temperatura en la columna C1.
La estructura de control a nivel de planta fija los caudales totales de los dos
reactantes alimentados al reactor. Las corrientes de alimentacin frescas se
manipulan para satisfacer la estequiometra de reaccin y la capacidad de
reaccin del sistema. Dos de las columnas de destilacin pueden utilizar control
de extremo nico. La tercera columna requiere un control de doble temperatura
para mantener las purezas del producto frente a alteraciones en la composicin
de la alimentacin.
REFERENCIA
1. Jimnez, L., Costa-Lpez, J. La produccin de acetato de butilo y metanol
por destilacin reactiva y extractiva. II. Modelado de procesos, simulacin
dinmica y estrategia de control, Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41, 6735.