Universidad Nacional de Trujillo Facultad de Ingeniería Química Curso: MODELAMIENTO Y SIMULACION DE PROCESOS Docente: Ing. Esquerre Pereyra Henry Alumnos: - Alva Díaz Yanela - Benites López Fiorella - Gabriel Portocarrero Diego -Gerónimo vega Jimena - López Alva Willy - Martínez Arquiño Heidy

MODELAMIENTO DE LA DESTILACION DEL ETANOL

I. INTRODUCCION

FUNDAMENTO TEÓRICO CONCEPTOS GENERALES  Sistemas. Todo sistema consiste de componentes interrelacionados y es, en un sentido, una entidad cerrada, considerada como independiente (mentalmente) de todo lo que le rodea. Fig. 1 Un sistema simple controlado

Modelos  Modelamiento físico :misma o casi la misma similitud de criterio  Modelamiento matemático:creación de una representación matemática  Modelo estático. Un modelo estático (o al estado estacionario) ignora cambios en las variables del proceso

CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO MATEMÁTICO 1. Balances de Masa y Energía 2. Ecuaciones para los procesos elementales 3. Relaciones teóricas empíricas y semiempiricas 4. Limitaciones sobre variables

DESTILACIÓN Corresponde a la separación de una mezcla líquida basada en la diferencia de volatilidad. Fig. 2 Equipo de destilación

OBJETIVOS  Simular un proceso de destilación del etanol utilizando los Softwares de Matlab y el Súper Pro que nos permita calcular el número de platos teóricos y el número de platos requeridos, así como también el flujo de destilado y el producto de colas.  Comparar los resultados obtenidos de los dos softwares de simulación utilizados Matlab y Súper Pro

II. METODOLOGÍA

MODELADO DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DEL ETANOL Buscar información - Elección de tema a modelar. -Elección de los programas modeladores - Balances - Parámetros y leyes - MATLAB - SUPERPRO -Comparación entre ambos modeladores - Destilación - Programas - Discusiones - Conclusione s DIAGRAMA DE BLOQUES

PROBLEMA A DESARROLLAR )Una columna de destilación se alimenta con un flujo F=100kgmol/h de una solución conteniendo 75%mol de Etanol (Xf) y 25% mol de Agua. La calidad de alimentación es q=0.999, la columna está operando a kPa. La volatilidad relativa del sistema es constante α =1.56. El destilado contiene 96% mol de Etanol y producto de colas 0.4% mol Etanol. Si la relación de reflujo es 20% en exceso del mínimo y el condensador es total. Determinar el número de etapas, numero de etapas teóricas requeridas, el flujo de destilado, flujo de producto de colas (Narayanan,2014) a) Por el método de McCabe-Thiele b)Por la ecuación de Fenske DATOS: F=100kgmol/hXd=96% mol de Etanol Xf =75%mol de EtanolXb= 0.4% mol Etanol q=0.999 α =1.56

CODIGO PARA LOS DATOS DE ENTRADA

disp(' DATOS INGRESADOS') disp(' ') F=input('ingrese la alimentacion:'); xf=input('ingrese la fraccion molar de alimentacion:'); q=input('ingrese la calidad de alimentacion:'); xd=input('ingrese la fraccion molar de destilado:'); xb=input('ingrese la fraccion molar de producto de colas:'); ratio=input('ingrese la relacion de reflujo:'); a=input('ingrese la volatilidad realtiva:'); Nm=(log((xd/(1-xd))/(xb/(1-xb))))/(log(a)); NM=(Nm-1)*ratio;

CODIGO DE CÁLCULO

%Ecuacion de FENSKE Nm=(log((xd/(1-xd))/(xb/(1-xb))))/(log(a)); NM=(Nm-1)*ratio; %balance alrededor de la columna D=F*(xf-xb)/(xd-xb);%flujo molar de destilado B=F-D; %grafica ELV x=linspace(0,1);%fraccion molar de componente en la fase liquida plot(x,x,'--c'); hold on y=a*x./(1+x.*(a-1));%fraccion molar de componente en la fase vapor plot(x,y,'r');%grafica y en funcion de x en ELV %ecuacion linea q (y=m*x+n) m=q/(q-1); n=xf-m*xf; zf=-n*(q-1); %intersecion linea-q con ELV syms x0 f=a*x0/(1+x0*(a-1))==m*x0+n; [x0]=solve(f); x0=eval(x0); x0=x0( x0>=0); y0=m*x0+n; %linea operacion enriquesimiento (LOE)[y=(R/(R+1))x+xd/(R+1)] syms m1 n1 f1=m1*x0+n1*xd==y0; f2=m1*xd+n1*xd==xd; [m1,n1]=solve(f1,f2); m1=eval(m1); n1=eval(n1); %m=R/R+1 r=m1/(1-m1);%reflujo minimo R=ratio*r; m2=R/(R+1); n2=xd-m2*xd; %interseccion linea q y LOE syms xz yz a1=m*xz+n==yz; a2=m2*xz+n2==yz; [xz,yz]=solve(a1,a2); xz=eval(xz); %graficamos linea q x2=linspace(xz,xf); y2=x2.*m+n; plot(x2,y2,'g'); %grafica LOE x3=linspace(xz,xd); y3=m2.*x3+n2; plot(x3,y3,'b'); %linea operacion agotamiento LOA syms m3 n3 f3=m3*xb+n3==xb; f4=m3*xz+n3==yz; [m3,n3]=solve(f3,f4); m3=eval(m3); n3=eval(n3); %grafica LOA x4=linspace(xb,xz); y4=m3.*x4+n3; plot(x4,y4,'b'); t=xd;t1=xd;p=xd; %graficamos etapas i=0; syms x y while t>xb; h=solve(y==a*x/(1+x*(a-1)),y==t1+0*x); plot([h.x,t],[p,p],'m')%horizontal t=h.x; if t>xz; p=subs(R*x/(R+1)+xd/(R+1),h.x); plot([h.x,h.x],[p,h.y],'m') t1=p; i=i+1; elseif t<xz; p=subs(x.*(yz-xb)/(xz-xb)-xb*(yz-xb)/(xz-xb)+xb,h.x); plot([h.x,h.x],[p,h.y],'m') t1=p; i=i+1;

CODIGO DE REPORTE DE RESULTADOS

fprintf('flujo molar de destilado:%5.2f\n',D); fprintf('flujo molar de producto de colas:%5.2f\n',B); fprintf('El N° de las etapas requeridas es:%5.2f\n',i) fprintf('El N° de bandejas requeridas es:%5.2f\n',i-1) fprintf('El N° de las etapas requeridas por ecuacion de FENSKE:%5.2f\n',NM)

1. Ingresar al programa SuperPRO y elegimos “Destilación”.

2. Graficamos las entradas y salidas. 3. Ingresamos los componentes puros (Alcohol etílico y agua).

4. Seleccionamos la única entrada, colocamos Temperatura, Presión y sus respectivos flujos: Alcohol Etílico: 75 kg/h Agua: 25 kg/h Presión: bar Temperatura: 25 °C

5. Seleccionamos el Destilador y colocamos las condiciones que se requieren: Número de etapas teóricas: 29 Presión de la Columna: bar Tipo de condensador: Total Posición de la etapa de flujo de entrada: 12°etapa Rotación de reflujo: 1.20

6. Finalmente verificamos nuestros resultados: Flujo molar de destilado: kg/h Temperatura de destilado: 79 °C Flujo molar de producto de colas: kg/h Temperatura de producto de colas: 96 °C

III. RESULTADOS

EN MATLAB Tabla 1: Valores de entrada Alimentación de entrada (Kgmol/h) Fracción molar de alimentación Calidad de la alimentación Fracción molar del destilado Fracción molar de producto de colas Relación de Reflujo Volatilidad relativa

Tabla 2: Valores obtenidos del proceso Flujo molar del destilado (Kgmol/h) Flujo molar de producto de colas (Kgmol/h) N° de las etapas requeridas N° de bandejas requeridas N° de bandejas requeridas por la Ec. de FENSKE

Gráfica 1: N° de etapas requeridas

EN SUPER PRO Tabla 3: Componentes requeridos Alcohol Etílico (Kg/h) Agua (Kg/h) Presión (bar) Temperatura (°C)

N° de las etapas teóricas Presión de la columna (bar) Tipo de condensador Posición de la etapa de flujo de entrada Rotación de Reflujo Total12 a etapa1.20 Tabla 4: Condiciones de operación

Flujo molar del destilado (Kg/h) Temperatura del destilado (°C) Flujo molar de producto de colas (Kg/h) Temperatura del producto de colas (°C) Tabla 5: Valores obtenidos del proceso

Análisis de Resultados: Elaborado nuestro proceso en ambos programas comprobamos lo siguiente; para el caso de MATLAB 2017a como dato obtenido de la corrida del programa calculamos que las etapas requeridas para el proceso es de 29 para una alimentación de entrada de 100 kgmol/h y con un flujo molar de destilado de kgmol/h. Con las etapas teóricas calculadas la llevamos como condición de entrada al SuperPro Designer 9.0 para determinar el flujo molar del destilado el cual obtuvimos kg/h; del cual podemos decir que a nivel comercial llegamos a obtener un valor cercano al que obtuvimos en nuestro programa elaborado en el MATLAB 2017a.

IV.DISCUSIONES

 Tanto la tabla Nº2 y la tabla Nº5 muestran los resultados de los procesos de simulación en MATLAB y SUPERPRO DESIGNER respectivamente, en ambos programas se obtienen los flujos másicos de salida del destilado y producto de colas, y se diferencian en otros resultados debido a los modelos de cada programa, comparando valores importantes para un procedimiento de destilación, en el programa de MATLAB se logra una mayor recopilación de datos, por ejemplo, numero de platos teóricos, posición de la etapa de flujo de entrada, etc.; como se visualiza en los Anexos 2 y 3  Una de las diferencias del programa de Matlab es editar el Balance Total de Materia en la Torre, Balance de Materia en la Zona de Rectificación o Enriquecimiento y Balance de Materia en la Zona de Agotamiento o Empobrecimiento como se muestra en el Anexo 1, no siendo caso en el otro programa de diseño.

 El modelo de simulación trabajado en el programa de MATLAB es flexible a variaciones, dicha aseveración es comprobada al comparar nuestra programación del Anexo 2, con el código de Matlab (Anexos) correspondiente al trabajo realizado por DESIRE SANTANA CASTELLANO, (Julio, 2010), en este último existe un mayor análisis y utilización de comandos que le permiten obtener una amplia recopilación de resultados y un control más minucioso del proceso, esto es debido que el programa permite condicionar el diseño a criterio.  Los aplicativo desarrollados, corresponden a antecedentes de otros trabajos realizados por el Ingeniero Luis D. Moncada.

V.CONCLUSIONES

 Se determinó el mismo valor de reflujo de 1.2 en ambos programas de simulación.  Se calculó 29 de platos teóricos, 28 bandejas requeridas y la Posición del flujo de entrada en etapa 12 para destilación en el programa de MATLAB.  Se calculó los flujos de salida del destilado en Kgmol/h según MATLAB y en Kg/h según SUPERPRO DESIGNER.  Se determinó que el diseño de simulación en el programa de MATLAB es la mejor alternativa sino cuenta con los datos de operación del reactor como número de etapas y posición de la etapa de flujo de entrada.