Diseño de un software para la construccion de mapas de curvas de residuo de sistemas de mezclas ternarias homogeneas

Director:MELANIO CORONADO HURTADO, I.Q.

Presentado por:CARLOS A. PINZÓN DE LA ROSA

JOSÉ N. PRIMERA PEDROZO

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICOFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICABARRANQUILLA

• Introducción

• Planteamiento Del Problema

• Justificación

• Objetivos

• Marco Teórico

• Metodología

• Resultados

• Conclusiones

• Recomendaciones

OBJETIVOS

Elaborar un software para la construcción de mapas decurvas de residuo para sistemas de mezclas ternariashomogéneas.

General

OBJETIVOS

Elaborar una base de datos de las propiedades físico-químicas de los componentes.

Elaborar un Algoritmo pertinente para el cálculo yposterior graficación de las curvas de residuo.

Graficar los mapas de curvas de residuo para diez (10)mezclas ternarias especificas.

Específicos

Comparar los resultados obtenidos con dicho software,con los resultados arrojados por un softwarereconocido internacionalmente para aplicacionessimilares (AEA TECHNOLOGY - DISTIL).

• Curvas de Residuo

• Mapa de Curvas de Residuo.

• Ecuación modificada de Rayleigh

MARCO TEÓRICO

Características de los Mapas de Curvas de Residuo

Figura 1. Características de los mapas de curvas de residuo.

1. Ecuación de Antoine

2. Modelos de Wilson y UNIQUAC

3. Ecuación de Peng – Robinson y fase vapor ideal

4. Equilibrio líquido – vapor

5. Presión de burbuja

METODOLOGÍA

Revisión bibliográfica

• Modelos termodinámicos

• Elección de las mezclas ternarias homogéneas

Benceno

;

Tolueno;

1-

Butanol

Metanol

– Etanol-

1-

Propanol

Metanol;

E-

Acetato;

Etanol

Acetona;

Hexano;

Etanol

M-

Acetato;

Benceno

; 2-

Propanol

Clorofor

mo;

Metanol;

Benceno

Benceno

; 1-

Propanol

;

Heptano

Benceno

;

Ciclioexa

no; 1-

Propanol

Etanol;

2-

Propanol

; I-Propil

Acetato

Acetona;

Metanol;

Etanol

Clorofor

mo;

Hexano;

Etanol

Hexano,

Benceno

; 1-

Butanol

Acetona;

Clorofor

mo;

Etanol

Hexano;

Etanol;

Benceno

M-

Acetato;

Metanol;

E-

Acetato

Acetona;

Clorofor

mo;

Etanol

Benceno

;

CicliHex

ano; 2-

Propanol

2-

Butanol;

2-Metil-1-

Propanol

; 1-

Butanol

E-

Acetato;

Etanol; I-

Propil

Acetato

Benceno

-

Tolueno-

E-

Benceno

M-

Acetato;

E-

Acetato;

Etanol

Etanol;

Benceno

;

Heptano

E-

Acetato;

2-

Propanol

; I-Propil

Acetato

Hexano;

Benceno

; 2-

Propanol

E-

Acetato;

Etanol;

2-

Propanol

Etanol;

Agua, E-

Glicol

Hexano;

Benceno

;

CicloHex

ano

Acetona;

Metanol;

2-

Propanol

CicloHex

ano;

Tolueno;

1-

Butanol

M-

Acetato;

Metanol;

Etanol

AC

B

Algoritmo soluciónDatos Iníciales: P, xi(0).

Parámetros Necesarios: (Presión de Saturación,

Coeficiente de Actividad, Coeficiente de Fugacidad.

Calcular xref, yi, T

Integrar el Conjunto de Ecuaciones Diferenciales y Algebraicas, y calcular la

Presión de Burbuja.

Verificar si se Alcanza un Punto Singular

NO

SI FIN

Figura 2. Algoritmo para construir mapas de RCM’s de sistemas de mezclas ternarias homogéneas.

Codificación

• Matlab : Interfaz Grafica el Usuario (GUIDE), solverODE15s.

1. Codificación del Algoritmo realizado con los modelostermodinámicos y las ecuaciones características parael trazado de los RCM.

2. Creación de una Base de datos con los componentespuros y las mezclas ternarias homogéneasrespectivas, utilizando como herramienta MicrosoftExcel®.

• Constantes A, B y C (Ecuación de Antoine)• Volúmenes molares de los líquidos saturados (modelo de

actividad de Wilson)• Constantes r y q (modelo de actividad de Uniquac)• Temperatura y presión critica, factor acéntrico (modelo de

fugacidad de Peng – Robinson)

Base de datos 1: Base de datos de componentes puros

Figura 3. Base de datos de componentes puros en Excel.

Base de datos 2: Base de datos de mezclas ternarias

• Parámetros de interacción binaria de los modelos deactividad de Wilson y Uniquac

Figura 4. Base de datos de mezclas ternarias en Excel.

RESULTADOS

Figura 5. Mezcla Metanol; Etanol; 1-Propanol. P = 1 atm. Distil vs. RCM Builder.

P = 1 atmComponentes Puros

Metanol Etanol 1-PropanolTemperatura (°C) 64,483 78,172 97,178

Tipo de Nodo Inestable Silla Estable

Tabla 1. Temperatura de ebullición del Metanol, Etanol y 1-Propanol a P = 1 atm.

Figura 6. Mezcla Metil Acetato; Metanol; Etanol. P = 3 atm. Distil vs. RCM Builder.


M-Acetato Metanol EtanolTemperatura (°C) 92,693 95,265 108,849

Tipo de Nodo Estable Silla Estable

Tabla 3. Datos azeotrópicos de la mezcla Metil Acetato; Metanol; Etanol a P = 3 atm.

Tabla 2. Temperatura de ebullición del M-Acetato, Metanol y Etanol a P = 3 atm.

AzeótroposM-Acetato - Metanol M-Acetato - Etanol

Temperatura (°C) 86,295 92,692Tipo de Nodo Inestable Silla

M-Acetato 0,552 0,993Metanol 0,448 0,000Etanol 0,000 0,007

Figura 7. Mezcla Benceno; Tolueno; 1-Butanol. P = 4 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 4. Temperatura de ebullición del Benceno, Tolueno y 1-Butanol a P = 4 atm.

Tabla 5. Datos azeotrópicos de la mezcla Benceno; Tolueno; 1-Butanol a P = 4 atm.


Benceno Tolueno 1-ButanolTemperatura (°C) 133,073 167,924 163,232

Tipo de Nodo Silla Estable Estable

AzeótroposBenceno - 1-Butanol Tolueno - 1-Butanol


Benceno 0,904 0,000Tolueno 0,000 0,514

1-Butanol 0,096 0,486

Figura 8. Mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato. P = 4 atm. Distil vs. RCM Builder.


M-Acetato Metanol E-AcetatoTemperatura (°C) 103,652 104,395 126,321


AzeótroposM-Acetato - Metanol Metanol - E-Acetato


M-Acetato 0,520 0,000Metanol 0,480 0,803

E-Acetato 0,000 0,197Tabla 7. Datos azeotrópicos de la mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato a P = 4 atm.

Tabla 6. Temperatura de ebullición del M-Acetato, Metanol y E-Acetato a P = 4 atm.

AzeótroposCiclo hexano - 1-Butanol Tolueno - 1-Butanol

Temperatura (°C) 130,540 155,870Tipo de Nodo Inestable SillaCiclo Hexano 0,819 0,000

Tolueno 0,000 0,5141-Butanol 0,181 0,486

Figura 9. Mezcla Ciclo Hexano; Tolueno; 1-Butanol. P = 4 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 9. Datos azeotrópicos de la mezcla Ciclo Hexano; Tolueno; 1-Butanol a P = 4 atm.

Tabla 8. Temperatura de ebullición del Ciclo Hexano, Tolueno y 1-Butanol a P = 4 atm.


Ciclo Hexano Tolueno 1-ButanolTemperatura (°C) 135,049 167,924 163,232


Figura 10. Mezcla Hexano; Benceno; 1-Butanol. P = 3 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 11. Datos azeotrópicos de la mezcla Hexano; Benceno; 1-Butanol a P = 3 atm.

Tabla 10. Temperatura de ebullición del Hexano, Benceno y 1-Butanol a P = 3 atm.


Hexano Benceno 1-Butanol

Temperatura (°C) 108,520 120,612 152,661

Tipo de Nodo Estable Estable Estable

Azeótropos

Hexano - 1-Butanol Hexano - Benceno Benceno – 1-Butanol

Temperatura (°C) 107,2 108,5 120,1

Tipo de Nodo Inestable Silla Silla

Hexano 0,917 0,938 0,000

Benceno 0,000 0,062 0,929

1-Butanol 0,083 0,000 0,071

Figura 11. Mezcla Hexano; Benceno; 2-Propanol. P = 3 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 13. Datos azeotrópicos de la mezcla Hexano; Benceno; 2-Propanol a P = 3 atm.

Tabla 12. Temperatura de ebullición del Hexano, Benceno y 2-Propanol a P = 3 atm.


Hexano Benceno 2-PropanolTemperatura (°C) 108,520 112,899 120,612

Tipo de Nodo Estable Estable Estable

AzeótroposHexano - 2-Propanol Benceno - 2-Propanol Hexano - Benceno

Temperatura (°C) 95,972 108,480 105,818

Tipo de Nodo Inestable Silla SillaHexano 0,613 0,938 0,000

Benceno 0,000 0,062 0,4812-Propanol 0,387 0,000 0,519

Figura 12. Mezcla Benceno; 1-Propanol; Heptano. P = 2 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 15. Datos azeotrópicos de la mezcla Benceno; 1-Propanol; Heptano a P = 2 atm.

Tabla 14. Temperatura de ebullición del Bencenoo, 1-Propanol, Heptano a P = 2 atm.


Benceno 1-Propanol HeptanoTemperatura (°C) 104,460 116,767 123,906


AzeótroposBenceno – 1-Propanol – Heptano Benceno - 1-Propanol 1-propanol - Heptano

Temperatura (°C) 98,494 98,545 103,571Tipo de Nodo Inestable Silla Silla

Benceno 0,655 0,701 0,0001-Propanol 0,304 0,299 0,518

Heptano 0,042 0,000 0,482

Figura 13. Mezcla Etanol; Benceno; Heptano. P = 1 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 17. Datos azeotrópicos de la mezcla Etanol; Benceno; Heptano a P = 1 atm.

Tabla 16. Temperatura de ebullición del Etanol, Bencenoo y Heptano P = 1 atm.


Etanol Benceno HeptanoTemperatura (°C) 78,172 80,130 98,653

Tipo de Nodo Estable Silla Estable

AzeótroposEtanol - Benceno - Heptano Etanol - Benceno Etanol - Heptano

Temperatura (°C) 68,149 68,180 71,340Tipo de Nodo Inestable Silla Silla

Etanol 0,468 0,465 0,647Benceno 0,500 0,535 0,000Heptano 0,032 0,000 0,353

Azeótropos

Cloroformo - Metanol Acetona - MetanolAcetona - Cloroformo -

MetanolAcetona - Cloroformo

Temperatura (°C) 53,816 55,346 57,324 64,451Tipo de Nodo Inestable Inestable Silla Estable

Acetona 0,000 0,791 0,332 0,339Cloroformo 0,655 0,000 0,229 0,661

Metanol 0,345 0,209 0,439 0,000

Figura 14. Mezcla Acetona; Cloroformo; Metanol. P = 1 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 19. Datos azeotrópicos de la mezcla Acetona; Cloroformo; Metanol a P = 1 atm.

Tabla 18. Temperatura de ebullición de la Acetona, Cloroformo y Metanol a P = 1 atm.


Acetona Cloroformo MetanolTemperatura (°C) 56,065 61,099 64,483

Tipo de Nodo Silla Silla Estable

ANÁLISIS DE LA MEZCLA M - ACETATO; METANOL; E - ACETATO.

Figura 15. Mezcla Acetona; Cloroformo; Metanol. P = 1 atm. Distil vs. RCM Builder.

Tabla 21. Datos azeotrópicos de la mezcla Acetona; Cloroformo; Metanol a P = 1 atm.

Tabla 20. Temperatura de ebullición de la Acetona, Cloroformo y Metanol a P = 1 atm.







E-Acetato 0,000 0,291

Figura 16. Mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato. P = 3 atm. Frontera y regiones de destilación.

Tabla 23. Datos azeotrópicos de la mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato a P = 3 atm.

Tabla 22. Temperatura de ebullición de la M-Acetato, Metanol y E-Acetato a P = 3 atm.





Temperatura (°C) 86,295 93,748Tipo de Nodo Inestable Saddle


E-Acetato 0,000 0,218




Figura 17. Mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato. P = 5 atm. Frontera y regiones de destilación.

Tabla 25. Datos azeotrópicos de la mezcla M-Acetato; Metanol; E-Acetato a P = 5 atm.

Tabla 24. Temperatura de ebullición de la M-Acetato, Metanol y E-Acetato a P = 5 atm.




E-Acetato 0,000 0,180

CONCLUSIONES

Debido a que las diferentes mezclas seleccionadas no son iguales,no se puede esperar que se comporten igual a una misma presiónfijada, por esto fue necesario plantear diferentes presiones encada mezcla que permitieran observar cambios notorios en elcomportamiento de las mismas.

Comparados los resultados obtenidos con el software RCM Buildercon los obtenidos con Distil® se puede afirmar que la consistenciade los Mapas de Curvas de Residuo se mantiene, es decir, latendencia de las líneas, la presencia de los diferentes nodos, loscambios fundamentales presentados a diferentes presiones y lavelocidad de cálculo, entre otros aspectos, son muy similares.

El margen de error que pueda tener el software RCM Builder estádelimitado por la dificultad de un cálculo detallado de azeótroposde la mezcla. A futuros trabajos se recomienda profundizar en esteaspecto y así el margen de error de RCM Builder se reduce.

Se pudo apreciar que las mezclas seleccionadas (30 en total)representan sub-grupos que muestran diez comportamientosdiferentes. Entre estos comportamientos se puede encontrarmezclas que no presentan azeótropos, mezclas con uno, dos yhasta tres azeótropos binarios, mezclas con azeótropos binarios yternarios.

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

Se recomienda un estudio más completo y profundo del GUIDE deMatlab® en las áreas en donde es muy útil dentro del plan deestudios de la Facultad de Ingeniería, buscando un desarrollo másamplio en el área de simulación de procesos químicos y colocandoasí a la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Atlántico en unlugar privilegiado a nivel nacional en el desarrollo de herramientasaplicables a este campo.

MatLab ® es un lenguaje de programación matemático quepermite la solución de complejos sistemas de ecuaciones, de unamanera sencilla y precisa.

RECOMENDACIONES

Un aspecto que limitó el desarrollo de este trabajo fue lanecesidad de una base de datos más completa que sirviera depunto de comparación. Se recomienda para el futuro, adquirir unaversión más completa de Distil®, lo que posibilitará la ampliaciónde la base de datos de componentes y mezclas de RCM Builder yde cualquier otro software que lo requiera.

Se recomienda para futuros trabajos, adicionarle al software elcálculo de mapas de curvas de residuo y de azeótropos para unmayor número de mezclas ternarias homogéneas y heterogéneas.

•AEA Technology Engineering Software, Hyprotech Ltd. Handbook.

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