CAPITULO 6

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INGENIERÍA QUÍMICA
SIMULACIÓN Y CONTROL DE PROCESOS
06 de julio del 2020
Elaborado por: Ramiro Amari 
· Resolver los ejercicios del capitulo 6 del texto que se etsa trabajando. 
Análisis y consideraciones 
Se debe simular la Columna 2, para poder separar un 99% de i-butano en la parte superior con 0.01% en los fondos. Se utlizara el método Peng-Robinson , qué es ideal para hidrocarburos con una columna DSTWU, que es él metodo corto. Se trabajaraá con temperatura de 138.7°F y presion de 51 psia.
Tabla de parámetros 
	 
	 
	Entrada 1
	Salida 2 
	Salida 3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	402
	1398
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	100
	1,08E-13
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	297
	3
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	5
	495
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	1,21E-12
	400
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	0
	500
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,24875622
	7,73E-17
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	0,73880597
	0,002145923
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,01243781
	0,354077253
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	3,01E-15
	0,286123033
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	0
	0,357653791
Se puede observar que el destilado de iso-butano (parte superior) si tiene una composición del 99% o 0.99. 
Diagrama de flujo 
Resultados 
	Minimum reflux ratio
	10,0983019
	 
	Actual reflux ratio
	11,4040939
	 
	Minimum number of stages
	34,0197895
	 
	Number of actual stages
	68,0395789
	 
	Feed stage
	33,952561
	 
	Number of actual stages above feed
	32,952561
	 
	Reboiler heating required
	23115718,7
	Btu/hr
	Condenser cooling required
	40662472
	Btu/hr
	Distillate temperature
	57,7503192
	F
	Bottom temperature
	133,224957
	F
	Distillate to feed fraction
	0,22333333
	 
Conclusión 
Al utilizar la columna de Radfrac, los resultados nos indican los valores que se debe usar en el método de platos para tener mejor aproximación y precisión.
Análisis y consideraciones 
Se debe corregir los valores en Radfrac, usando los resultados del ejercicio anterior que son: 68 etapas, fracción de reflujo de 11.4, destilación/alimentación de 0.22, alimentación en el plato 34 de acuerdo a los datos del DSTWU, sin embargo, resulto tener un valor del 95% de i-Butano en el destilado. Se debe usar especificaciones de variables “vary” 
Tabla de parámetros 
	
	
	Entrada 1 
	Salida 2 
	Salida 3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	401,999999
	1398
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	100
	3,18E-14
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	297,000077
	2,9999232
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	4,99992271
	495,000077
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	4,60E-12
	400
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	6,78E-15
	500
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,24875622
	2,27E-17
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	0,73880616
	0,00214587
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,01243762
	0,35407731
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	1,14E-14
	0,28612303
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	1,69E-17
	0,35765379
	 RESULTADOS Destilado
	Temperature
	57,7503167
	F
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	-46791691,4
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	401,999998
	lbmol/hr
	Reflux rate
	5201,97494
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	12,9402362
	 
	Free water distillate rate
	 
	 
	Free water reflux ratio
	 
	 
	Distillate to feed ratio
	0,22333333
	 
	
	
	
	RESULTADOS Fondos
	Temperature
	133,224958
	F
	Heat duty
	29244938,4
	Btu/hr
	Bottoms rate
	1398
	lbmol/hr
	Boilup rate
	3022,90451
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	2,16230652
	 
	Bottoms to feed ratio
	0,77666667
	 
Conclusión 
En el balance de materia, se obtuvo 297/300=0.99. Pudiendo corregir las variables acorde a lo requerido. Los datos que se necesitó aparte de las temperaturas y la presión y el número de etapas fueron relación de reflujo, etapa de alimentación y relación destilado/alimentación para el Radfrac.
Análisis y consideraciones 
Se debe obtener 99% de n-butano en el destilado. El elemento pesado es i-pentano con 0.01 %. Se debe usar la misma temperatura y presión con el método de Peng Robinson. Al prinipio utilizar columna DSTWU.
Tabla de parámetros 
	 
	 
	Entada
	Salida 2
	Salida 3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	899,260214
	900,739786
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	99,9999955
	4,53E-06
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	299,779416
	0,22058434
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	495
	5
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	4
	396
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	0,48080284
	499,519197
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,11120251
	5,03E-09
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	0,33336226
	0,00024489
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,55045246
	0,00555099
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	0,0044481
	0,43963862
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	0,00053466
	0,55456549
	Datos DSTWU
	Minimum reflux ratio
	2,16806388
	 
	Actual reflux ratio
	2,58620247
	 
	Minimum number of stages
	11,5164003
	 
	Number of actual stages
	23,0328006
	 
	Feed stage
	12,2992461
	 
	Number of actual stages above feed
	11,2992461
	 
	Reboiler heating required
	10675299
	Btu/hr
	Condenser cooling required
	27788829,8
	Btu/hr
	Distillate temperature
	77,6341476
	F
	Bottom temperature
	164,601253
	F
	Distillate to feed fraction
	0,49958901
	 
Se puede observar un porcentaje de 99% en el destilado. 
Los datos en la columna Radfrac son de 430.169/500= 0,86. Por lo que debe haber un problema de especificación de datos, se debe usar el análisis de diseño especificio, con las siguientes variables.
Resultados 
	 
	 
	Entrada
	Salida 2
	Salida 3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	899,260214
	900,739786
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	99,9999979
	2,06E-06
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	299,726025
	0,27397508
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	494,96059
	5,03940956
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	4,00002691
	395,999973
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	0,57357419
	499,426426
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,11120252
	2,29E-09
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	0,33330289
	0,00030417
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,55040864
	0,00559475
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	0,00444813
	0,43963859
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	0,00063783
	0,55446249
	DESTILADO
	Temperature
	77,6384256
	F
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	-30249434,7
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	899,260214
	lbmol/hr
	Reflux rate
	2554,62969
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	2,84081254
	 
	Free water distillate rate
	 
	 
	Free water reflux ratio
	 
	 
	Distillate to feed ratio
	0,49958901
	 
	FONDOS
	Temperature
	164,586901
	F
	Heat duty
	13135453,7
	Btu/hr
	Bottoms rate
	900,739786
	lbmol/hr
	Boilup rate
	1331,09753
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	1,47778254
	 
	Bottoms to feed ratio
	0,50041099
	 
Conclusión 
Se evidencia un cambio de la fracción de reflujo y por lo tanto en las fracciones molares y flujos molares que se observan en las tablas.
Análisis y consideraciones 
Se debe aplica las mismas condiciones. Ahora en el destilado se obtendrá iso-pentano de recuperación del 99% y 0.01%. De n-pentano. Primero se usara columna DSTWU.
Tabla de parámetros 
	 
	 
	Entrada
	Salida 2
	Salida 3
	Temperature
	F
	138,7
	99,1600972
	200,059694
	Pressure
	psia
	51
	51
	51
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	1001
	799
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	100
	7,98E-09
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	0
	300
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	500
	3,85E-15
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	396
	4
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	5
	495
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,0999001
	9,99E-12
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	0
	0,37546934
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,4995005
	4,81E-18
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	0,3956044
	0,00500626
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	0,004995
	0,61952441
	Datos DSTWU
	Minimum reflux ratio
	4,134012
	 
	Actual reflux ratio
	4,72911892
	 
	Minimum number of stages
	46,2912785
	 
	Number of actual stages
	92,582557
	 
	Feed stage
	47,7589945
	 
	Number of actual stages above feed
	46,7589945
	 
	Reboiler heating required
	50434521,6
	Btu/hr
	Condenser cooling required
	52354972,9
	Btu/hr
	Distillate temperature
	99,1600972
	F
	Bottom temperature
	200,059694
	F
	Distillate to feed fraction
	0,55611111
	 
Después de obtener estos valores, se utiliza la columna Radfrac, esta vez no fue necesario utilizar diseño específico y los valores son los siguientes.
Resultados
	 
	 
	EntadaSalida S2
	Salida S3
	Temperature
	F
	138,7
	99,1549838
	200,125058
	Pressure
	psia
	51
	51
	51
	Mole Flows
	lbmol/hr
	1800
	1001
	799
	PROPANE
	lbmol/hr
	100
	100
	2,03E-36
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	300
	2,02E-39
	300
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	500
	500
	2,67E-16
	2-MET-01
	lbmol/hr
	400
	397,882662
	2,11733784
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	500
	3,11733764
	496,882662
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05555556
	0,0999001
	2,54E-39
	ISOBU-01
	 
	0,16666667
	2,01E-42
	0,37546934
	N-BUT-01
	 
	0,27777778
	0,4995005
	3,34E-19
	2-MET-01
	 
	0,22222222
	0,39748518
	0,00264998
	N-PEN-01
	 
	0,27777778
	0,00311422
	0,62188068
	DESTILADO
	Temperature
	99,1549838
	F
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	-56038609,1
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	1001
	lbmol/hr
	Reflux rate
	4733,84804
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	4,72911892
	 
	Free water distillate rate
	 
	 
	Free water reflux ratio
	 
	 
	Distillate to feed ratio
	0,55611111
	 
	FONDOS
	Temperature
	200,125058
	F
	Heat duty
	54120791,1
	Btu/hr
	Bottoms rate
	799
	lbmol/hr
	Boilup rate
	4808,39866
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	6,01802085
	 
	Bottoms to feed ratio
	0,44388889
	 
Conclusión 
Se evidencia una diferencia mínima en la razón de reflujo, debido a que los valores prácticamente se mantuvieron en ambas columnas.
Análisis y consideraciones
	Presión:
	120
	psia
	Temperatura:
	185
	°F
	Compuesto
	Flujo molar
	 
	Propano
	5
	lbmol/hr
	i-butano
	15
	lbmol/hr
	n-butano
	25
	lbmol/hr
	i-pentano
	20
	lbmol/hr
	n-pentano
	35
	lbmol/hr
	SUMA:
	100
	 
Se debe obtener en el destilado 0,07 de fracción molar de i-pentano y 0,03 de n-butano en los fondos. Primero utilizaremos columna DSTWU.
Tabla de parámetros 
	 
	 
	Entada
	Salida S2
	Salida S3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	100
	47,6822443
	52,3177557
	PROPANE
	lbmol/hr
	5
	4,99490742
	0,00509258
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	15
	1,43E+01
	0,69463291
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	25
	22,2820698
	2,71793024
	2-MET-01
	lbmol/hr
	20
	3,4
	16,6
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	35
	2,6999
	32,3001
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05
	0,10475403
	9,73E-05
	ISOBU-01
	 
	0,15
	3,00E-01
	0,01327719
	N-BUT-01
	 
	0,25
	0,46730329
	0,05195044
	2-MET-01
	 
	0,2
	0,07130537
	0,3172919
	N-PEN-01
	 
	0,35
	0,05662275
	0,61738313
	Datos DSTWU
	Minimum reflux ratio
	1,09229927
	 
	Actual reflux ratio
	1,8483846
	 
	Minimum number of stages
	5,81834156
	 
	Number of actual stages
	10
	 
	Feed stage
	10,031432
	 
	Number of actual stages above feed
	9,03143202
	 
	Reboiler heating required
	942014,509
	Btu/hr
	Condenser cooling required
	1075587,13
	Btu/hr
	Distillate temperature
	144,104207
	F
	Bottom temperature
	226,075184
	F
	Distillate to feed fraction
	0,47682244
	 
Estos son los datos del ejercicio que nos proporciona el libro: 
Se obtiene 94% de destilado por lo que para poder aproximarnos a lo requerido se utilizara el modelo RadFrac. 
Resultados
	 
	 
	Entada
	Salida S2
	Salida S3
	Mole Flows
	lbmol/hr
	100
	42,0834866
	57,9165134
	PROPANE
	lbmol/hr
	5
	4,89578769
	0,10421231
	ISOBU-01
	lbmol/hr
	15
	12,53023
	2,46977003
	N-BUT-01
	lbmol/hr
	25
	18,905284
	6,09471599
	2-MET-01
	lbmol/hr
	20
	3,40000045
	16,5999996
	N-PEN-01
	lbmol/hr
	35
	2,35218453
	32,6478155
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	PROPANE
	 
	0,05
	0,11633513
	0,00179935
	ISOBU-01
	 
	0,15
	0,29774695
	0,04264362
	N-BUT-01
	 
	0,25
	0,44923284
	0,10523278
	2-MET-01
	 
	0,2
	0,0807918
	0,28661946
	N-PEN-01
	 
	0,35
	0,05589329
	0,56370478
	DESTILADO
	Temperature
	143,001806
	F
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	-977786,001
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	42,0834866
	lbmol/hr
	Reflux rate
	77,7864686
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	1,8483846
	 
	Free water distillate rate
	 
	 
	Free water reflux ratio
	 
	 
	Distillate to feed ratio
	0,42083487
	 
	FONDOS
	Temperature
	216,168221
	F
	Heat duty
	834148,725
	Btu/hr
	Bottoms rate
	57,9165134
	lbmol/hr
	Boilup rate
	93,6501727
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	1,61698568
	 
	Bottoms to feed ratio
	0,57916513
	 
Conclusión 
Ambos métodos cumplen las condiciones de un número menor de 7% de i-pentano en el destilado y menos del 3% de la n-butano en el fondo.
Análisis y consideraciones 
Cuanto más alto son los requisitos de presión de trabajo en la columna, más costosa es la columna y el costo de separación es mayor además de los compuestos con puntos de ebullición similares.
Tabla de parámetros 
Conclusión 
En la última columna se requiere menos costo debido a que trabaja con presiones bajas lo que genera cantidad de energía hacia la columna. 
Análisis y consideraciones 
Se debe usar una columna radfrac. La columna tiene agua y esta absorberá contaminantes cuando esté en contacto con el gas. Se usa el método de Wilson porque generalmente se usa para tratar el alcohol. En este caso, supongo que la temperatura de fermentación es igual a 36°C, y debido a que la alta temperatura no puede superar esta temperatura, el tiempo de fermentación se acortará a medida que aumente la velocidad de reacción.
Diagrama de flujo 
Resultados 
	 
	 
	Entada
	Entrada 2
	Salida 3
	Salida 4
	Temperature
	C
	35
	35
	32,8822772
	18,2501897
	Pressure
	atm
	1
	1
	1
	1
	Mole Flows
	lbmol/hr
	400
	620
	408,817165
	611,182835
	CO2
	lbmol/hr
	399,92
	0
	388,88298
	11,0370197
	ETHANOL
	lbmol/hr
	0,08
	0
	6,05E-08
	0,07999994
	WATER
	lbmol/hr
	0
	620
	19,9341847
	600,065815
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	 
	CO2
	 
	0,9998
	0
	0,95123936
	0,01805846
	ETHANOL
	 
	0,0002
	0
	1,48E-10
	0,00013089
	WATER
	 
	0
	1
	0,04876064
	0,98181065
	DESTILADO
	Temperature
	32,8822772
	C
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	0
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	408,817165
	lbmol/hr
	Reflux rate
	626,227628
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	1,53180366
	 
	FONDOS
	Temperature
	18,2501897
	C
	Heat duty
	0
	Btu/hr
	Bottoms rate
	611,182835
	lbmol/hr
	Boilup rate
	407,729411
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	0,66711529
	 
Análisis y recomendaciones 
No se puede realizar este problema, porque las etapas están congeladas, por lo tanto los valores dados no están en fase liquida o de vapor, y por lo tanto sale un mensaje de error de:
SEVERE ERROR
 THE FOLLOWING STAGES DRIED UP (VAPOR OR LIQUID FLOW APPROACHES 0):
 2 9 10
 A LIMIT OF 0.10000E-04 * SUM OF FEEDS WAS IMPOSED ON THE FLOW RATES
 OR A LIMIT OF 0.10000E-04 WAS IMPOSED ON THE STAGE V/L OR L/V RATIO.
 
En el literal 1 y 2 no se puede realizar con el método de Wilson. Sale este mensaje.
 
3) Simulando la torre de destilación usando la columna DSTWU con 10 etapas
Tabla de parámetros 
	 
	 
	Entrada 1 
	Salida 2
	Salida 3
	Phase
	 
	Liquid Phase
	Liquid Phase
	Liquid Phase
	Temperature
	F
	80
	173,477237
	210,818467
	Pressure
	psia
	14,6959488
	14,6959488
	14,6959488
	Mole Flows
	lbmol/hr
	100
	50
	50
	WATER
	lbmol/hr
	50
	1
	49
	ETHANOL
	lbmol/hr
	50
	49
	1
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	WATER
	 
	0,5
	0,02
	0,98
	ETHANOL
	 
	0,5
	0,98
	0,02
	Datos DSTWU
	Minimum reflux ratio
	1,39773511
	 
	Actual reflux ratio
	17,5534719
	 
	Minimum number of stages
	9,58171589
	 
	Number of actual stages
	10
	 
	Feed stage
	5,9337295
	 
	Number of actual stages above feed
	4,9337295
	 
	Reboiler heating required
	15977378,6
	Btu/hr
	Condenser cooling required
	15706533,4
	Btu/hr
	Distillate temperature
	173,477237
	F
	Bottom temperature
	210,818467
	F
	Distillate to feed fraction
	0,5
	 
Resultados
	 
	 
	Entrada 1 
	Salida 2
	Salida 3
	Phase
	 
	Liquid Phase
	Liquid Phase
	Liquid Phase
	Temperature
	F
	80
	73,1002148
	100,691903
	Pressure
	psia
	14,6959488
	1
	1
	Mole Flows
	lbmol/hr
	100
	50
	50
	WATER
	lbmol/hr
	50
	1,04586688
	48,9541331
	ETHANOL
	lbmol/hr
	50
	48,9541331
	1,04586688
	Mole Fractions
	 
	 
	 
	 
	WATER
	 
	0,5
	0,02091734
	0,97908266
	ETHANOL
	 
	0,5
	0,97908266
	0,02091734
	DESTILADO
	Temperature
	73,1002148
	F
	Subcooled temperature
	 
	 
	Heat duty
	-17042672,7
	Btu/hr
	Subcooled duty
	 
	 
	Distillate rate
	50
	lbmol/hr
	Refluxrate
	877,673595
	lbmol/hr
	Reflux ratio
	17,5534719
	 
	Free water distillate rate
	 
	 
	Free water reflux ratio
	 
	 
	Distillate to feed ratio
	0,5
	 
	FONDOS
	Temperature
	100,691903
	F
	Heat duty
	17051530,5
	Btu/hr
	Bottoms rate
	50
	lbmol/hr
	Boilup rate
	913,499344
	lbmol/hr
	Boilup ratio
	18,2699869
	 
	Bottoms to feed ratio
	0,5
	 
Conclusión 
Es importante usar métodos apropiados al simular el proceso, y no usar el método Wilson al modelar sistemas que pueden tener múltiples fases líquidas. Debido a que el coeficiente de actividad de Wilson no puede predecir la separación líquido-líquido, mientras que los modelos UNIQUAC o IDEAL si pueden. 
y-x diagram for WATER/ETHANOL
Liquid/vapor mole fraction, ETHANOL
Vapor mole fraction, ETHANOL
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
 1,0 atm
y-x diagram for WATER/ETHANOL
Liquid/vapor mole fraction, ETHANOL
Vapor mole fraction, ETHANOL
0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,951,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
 1,0 atm