proyecto de operaciones de separación
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UNIVERSIDAD MICHOACANA
DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Proyecto: Operaciones de Separación
“Destilación Azeotrópica de una mezcla de
Ciclohexano y Benceno”
PRESENTA:
I.Q. René Leobardo Martínez Corona
PROFESORA:
D.C. Mariana Ramos Estrada
Morelia Michoacán, 2 de Febrero de 2012.
INTRODUCCIÓN
La separación de componentes que tienen aproximadamente las mismas temperaturas de
ebullición son difíciles de realizar por destilación simple, aun cuando las mezclas sean
ideales, una separación completa a menudo resulta imposible debido a la formación de
azeótropos. En tales sistemas con frecuencia es posible mejorar la separación adicionando
un tercer componente para modificar la volatilidad relativa de los componentes originales.
El componente añadido puede ser un líquido de elevada temperatura de ebullición o un
disolvente miscible con ambos componentes clave pero químicamente más semejante a uno
de ellos. El objetivo del disolvente es, ya sea, separar un componente de un par con puntos
de ebullición cercanos o separar un componente de un azeótropo. Si lo que se añade es un
disolvente que forme un azeótropo con uno de los componentes clave, el proceso recibe el
nombre de destilación azeotrópica con adición de disolvente. El azeótropo constituye el
destilado o producto residual que sale de la columna y después se separa en el disolvente y
el componente clave. Por lo general el material que se adiciona forma un azeótropo de
temperatura de ebullición mínima y se retira como producto de destilado; tales materiales
reciben el nombre de trazadores. La efectividad de tales agentes está en el aprovechamiento
de la separación de fases para lograr que la composición de la alimentación se encuentre en
una región favorable para la operación de la columna. La separación de benceno y
ciclohexano es uno de los procesos más exigentes de la industria química, a causa de la
diferencia de solo 0.4 °C en las volatilidades de los dos componentes, por lo que los
procesos no convencionales son imprácticos. La Destilación azeotrópica y extractiva son
operaciones factibles y se utiliza en muchas de las industrias, aunque se acompaña de un
alto costo de capital y de operación pero se sigue utilizando comúnmente. Este proyecto de
investigación tiene como objetivo la realización de la separación de benceno y ciclohexano,
presentando las propiedades de los componentes, los principios termodinámicos que lo
rigen, así como el esquema de proceso que se propone, utilizando el simulador CHEMCAD
6.3.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Separar una mezcla de benceno y ciclohexano por destilación azeotrópica, a 150 F y 25
psia. ¿Cuál podría ser el trazador para esta mezcla? Utilice cálculos rigurosos para estimar
las composiciones y velocidades de flujo de las interetapas, así como las temperaturas de
las etapas. Recupere y recircule el solvente. Justifique cada suposición que haga y entregue
un reporte detallado de sus resultados, con conclusiones. Diga si esta es la mejor manera de
separar la mezcla.
OBJETIVOS
Objetivo general
Desarrollar la metodología que permita realizar la separación de una mezcla azeotrópica de
benceno y ciclohexano, mediante la selección de un agente de separación (trazador),
utilizando el simulador CHEMCAD 6.3.
Objetivos particulares
Conocer el comportamiento del equilibrio liquido-vapor de la mezcla a separar.
Determinar los azeótropos de la mezcla.
Selección del agente de separación.
Determinar mediante métodos cortos: el tipo de condensador, número de etapas, reflujo
mínimo, calor del condensador, calor del hervidor y etapa de alimentación.
Simulación en CHEMCAD 6.3 de la separación de la mezcla, considerando la
secuencia de columnas necesarias, corrientes de recirculación mediante métodos
rigurosos.
Analizar los resultados obtenidos para poder determinar si esta es la mejor manera de
separar la mezcla.
MARCO TEÓRICO
Azeótropo
Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que
posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso)
se comporta como un compuesto puro, como si fuese un solo componente. Un azeótropo,
puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de
la mezcla, figura 1, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual
que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple [1].
Figura 1. Azeótropo de temperatura de ebullición mínima y máxima.
Propiedades del benceno y ciclohexano
Benceno
El benceno es un hidrocarburo aromático con fórmula química , tiene las siguientes
propiedades: es un líquido incoloro, no polar, inflamable, volátil, de olor característico y
gran estabilidad térmica. La estructura química se presenta en la figura 2 y sus propiedades
representativas en la tabla 1. El benceno tiene una estructura planar estable, con un anillo
de Kekulé de seis miembros. Los átomos de carbono tienen la misma longitud entre ellos,
de 1.39 amstrongs y ángulos de enlace de 120°. Este compuesto se utiliza principalmente
como materia prima para la síntesis química de compuestos como el estireno, fenol,
ciclohexano, anilina, clorobencenos etc. También se utiliza en la producción de
medicamentos, colorantes, insecticidas y plásticos [2].
Figura 2. Estructura química del benceno.
Tabla 1. Propiedades del benceno
Benceno
Fórmula
Densidad 0.8786 g/cm3
Peso molecular 78.1121 g/mol
Punto de fusión 5.45 °C
Punto de ebullición 80.24 °C
Viscosidad 0.652 Cp.
Ciclohexano
El ciclohexano es un compuesto con fórmula química , no polar, incoloro,
inflamable, insoluble en agua, no corrosivo y muy volátil. Es menos tóxico que el benceno.
La estructura química más estable del ciclohexano es conocida como arreglo “silla”, como
se muestra en la figura 3 y sus propiedades se enlistan en la tabla 2. Este compuesto se
utiliza en pinturas, barnices, como solvente en la industria del plástico, en particular para
las resinas utilizadas en el recubrimiento de cables y para la extracción de aceites esenciales
[3].
Figura 3. Estructura química tipo “silla” del ciclohexano.
Tabla 2. Propiedades del ciclohexano.
Ciclohexano
Fórmula
Densidad 0.779 g/cm3
Peso molecular 84.1160 g/mol
Punto de fusión 6.5 °C
Punto de ebullición 80.64 °C
Viscosidad 1.02 Cp.
Selección del trazador
El trazador forma parte muy importante al momento de realizar una separación azeotrópica
o extractiva, ya que dependiendo de las propiedades físicas del sistema, condiciones de
operación de la columna y el azeótopo a separar, se elige el agente separador. A
continuación se propone un procedimiento para esta elección [4]:
a) Estudio del equilibrio líquido-vapor del sistema binario a separar.
b) Estudio de la topología de los sistemas ternarios (sistema binario + agente de
separación).
c) Simulación del proceso de separación.
d) Estudios complementarios.
La lista anterior toma en cuenta los siguientes análisis: estudio de los datos experimentales
predicción del equilibrio con diferentes métodos, curvas residuales, volatilidades relativas,
etc. Que permite hacer la elección adecuada del trazador.
Para este trabajo de investigación se propone la separación del ciclohexano y benceno
mediante la utilización del 1,2-propanodiol.
1,2 propanodiol
Es un compuesto orgánico no polar, insípido, inodoro, e incoloro. Se utiliza como
humectante, anticongelante y agente de separación para mezclas con estrecho margen de
temperaturas de ebullición. En la figura 4 se muestra su estructura y en la tabla 3 sus
propiedades [5].
Figura 4. Estructura química del 1,2-propanodiol.
Tabla 3. Propiedades del 1,2-propanodiol.
1,2-propanodiol
Fórmula
Densidad 1.036 g/cm3
Peso molecular 76.09 g/mol
Punto de fusión -59 °C
Punto de ebullición 188.2 °C
Viscosidad 0.468 Cp.
Nota: se elige este agente separador por que solo forma un azeótropo con el ciclohexano,
como se muestra más adelante en las figuras 7 y 8.
¿Qué es la simulación de un proceso químico?
La simulación de un proceso químico consiste en la evaluación numérica de un modelo
matemático propuesto para condiciones específicas, resolviendo las variables desconocidas
a partir de las conocidas o parámetros de diseño deseados [6].
Etapas para la simulación
Las etapas para la simulación dependen del autor que se consulte, en lo general se conocen
las siguientes:
1. Definición del sistema
2. Colección de datos
3. Implementación del modelo en la computadora
4. Verificación
5. Validación del sistema
6. Interpretación
Para realizar un estudio de simulación es necesario abarcar la mayor parte de los puntos
anteriores y tener conocimiento detallado del proceso de interés.
Simulación en Ingeniería Química
La utilización de simuladores en ingeniería química es de gran relevancia, debido a que
minimiza el esfuerzo humano para la resolución de los cálculos complejos que
normalmente llevan asociados un proceso de ingeniería. Por tal motivo, la simulación de
procesos múltiples en serie facilita la toma de decisiones, ya que los datos obtenidos
permiten un análisis lógico del proceso. Dentro de los simuladores comerciales más
utilizados se encuentran los siguientes: HYSIS, ASPEN PLUS, CHEMCAD, SUPERPRO
DESIGNER entre otros, dependiendo del área que se trabaje [6,7].
Una vez dicho lo anterior, en este proyecto de investigación se utiliza el simulador
CHEMCAD 6.3, por tener áreas de trabajo e interfaces amigables de fácil desplazamiento.
DESARROLLO DEL PROYECTO
Base de cálculo
Se propone una alimentación de la mezcla a separar de 100 lbmol/h, a temperatura y
presión especificadas 150 F y 25 psia respectivamente, las cantidades de ciclohexano,
benceno y 1,2-propanodiol se eligen más adelante al momento de la simulación, por que no
se proporcionan como dato.
Determinación de los azeótropos de la mezcla
Con las temperaturas de ebullición (tabla 4) de los compuestos en la mezcla se predicen los
azeótropos y se determinan con ayuda de simulador.
Tabla 4. Temperaturas de ebullición de los compuestos de la mezcla.
Compuesto Tb (°C)
Ciclohexano 80.64
Benceno 80.24
1,2-propanodiol 188.2
Como se puede observar en la tabla anterior, los puntos de ebullición entre el ciclohexano y
el benceno tienen una diferencia mínima de 0.4 °C, lo que dificulta la separación.
Diagrama de equilibrio ciclohexano-benceno
Figura 5. Diagrama de equilibrio benceno-ciclohexano a 25 psia con el modelo
termodinámico UNIFAC.
Se utiliza el modelo termodinámico UNIFAC para el equilibrio, por que no se cuenta con
datos, los compuestos forman asociaciones e interacciones molécula-molécula y hay
efectos por la contribución de grupos, por lo que se modelan estos sistemas mediante este
método de coeficiente de actividad. Se utiliza también el modelo MIXH para calcular la
entalpía y la entropía (sugerencia del simulador), por que la mezcla ciclohexano-benceno es
altamente no ideal.
Azeótropo ciclohexano-benceno
Figura 6. Diagrama T-xy benceno-ciclohexano a 25 psia.
Azeótropo ciclohexano-1,2-propanodiol
Figura 7. Diagrama ciclohexano-1,2-propanodiol a 25 psia.
Figura 8. Diagrama curva residual a 25 psia.
Los gráficos anteriores se resumen en la siguiente tabla, para la formación de azeótropos de
las combinaciones ciclohexano-benceno-1,2-propanodiol.
Tabla 5. Azeótropos formados.
Mezcla T (F) T (°C) % mol
Ciclohexano 203.94 95.52
53.16
Benceno 47.52
Ciclohexano 207.72 97.62
94.1
1,2-propanodiol 5.9
En las figuras 6,7 y 8 se observa la formación de azeótropos a temperatura de ebullición
mínima, pero no hay formación de azeótropos ternarios.
Determinación de la presión de la columna y el tipo de condensador
La determinación del tipo de condensador se realiza con en algoritmo de la figura 12.4,
como sigue [8]:
1. A se efectúa un Flash encontrar .
2. Como se utiliza un Condensador Total.
Como dato se proporciona una , al considerar la caída de presión de 5 psia
para la columna se obtienen las siguientes presiones:
Método aproximado para la separación
Columna 1
Se utilizó la columna con el método de FUG-Fenske para proponer la cantidad de flujo de
ciclohexano y benceno en la alimentación para determinar los valores mínimos y utilizarlos
en método riguroso.
La columna utiliza el método UNIFAC y MIXH por las consideraciones ya explicadas.
Figura 9. Columna 1, método corto.
En esta columna se realiza el análisis de sensibilidad basado en la adición de 1,2-
propanodiol, tabla 6 y 7, las etapas totales calculadas fueron el parámetro de interés,
considerando que una cantidad de aproximadamente 100 etapas o menos son adecuadas
para la separación con una recuperación de ciclohexano al 99% y a reflujo mínimo.
Tabla 6. Análisis de sensibilidad.
Componente
Flujo
Ciclohexano
(Lbmol/h)
Benceno
(Lbmol/h)
1,2-
propanodiol
(Lbmol/h) Etapas
1 80 20 20 178
2 80 20 40 151
3 80 20 60 142
4 80 20 80 139
5 80 20 100 138
6 80 20 150 138
Tabla 7. Análisis de sensibilidad.
Componente
Flujo
Ciclohexano
(Lbmol/h)
Benceno
(Lbmol/h)
1,2-
propanodiol
(Lbmol/h) Etapas
1 75 25 20 112
2 75 25 40 93
3 75 25 60 86
4 75 25 80 60
5 75 25 100 58
6 75 25 150 58
Como se puede ver en las tablas anteriores, el análisis de sensibilidad al flujo de trazador y
cantidades mayores de ciclohexano y menores de benceno, se puede obtener una cantidad
razonable de etapas para realizar la separación. Por lo que se trabajará en una primera
instancia con los valores dentro del círculo en las siguientes figuras.
Figura 10. Alimentación a la columna 1, método corto.
Figura 11. Datos de la columna 1, método corto.
Figura 12. Datos de la columna 2, método corto.
Corrientes de fondo para las columnas:
Figura 13. Datos fondos de la columna 1 y 2.
Figura 14. Secuencia de columnas, método corto.
Método Riguroso para la separación
Se utilizó la columna SCDS (suma de flujos) y los métodos UNIFAC y MIXH para llevar
a cabo la simulación, por las consideraciones ya explicadas anteriormente.
Figura 15. Columna 1, método riguroso.
Nota: Con los datos obtenidos del método corto no converge la columna en las 2 primeras
corridas, por lo que se variarán los parámetros número de etapas, reflujo, flujo de fondos y
etapa de alimentación.
Tabla 7. Análisis de sensibilidad para cada corrida, variación del flujo de trazador y fondos
de la columna 1.
Corridas Trazador
(Lbmol/h)
Número
de etapas
Etapa de
alimentación Reflujo
Fondos
(Lbmol/h)
Destilado (Lbmol/h)
Ciclohexano Benceno 1,2-Propanodiol
1 100 58 29 1.33 100 0 0 0
2 200 58 29 1.33 100 0 0 0
3 500 58 29 1.33 200 75 25 400
4 500 58 29 1.33 300 75 25 299
5 500 58 29 1.33 400 75 25 200
Nota: Como se puede observar en la tabla, si adiciona flujo de fondo disminuye la
recuperación de 1,2-propanodiol en el destilado lo cual no es posible, por lo que en el
siguiente análisis se variará el flujo de trazador, número de etapas y la localización de la
etapa de alimentación.
Tabla 8. Análisis de sensibilidad para cada corrida, variación del flujo de trazador y fondos
de la columna 1.
Corridas Trazador
(Lbmol/h)
Número
de etapas
Etapa de
alimentación Reflujo
Fondos
(Lbmol/h)
Destilado (Lbmol/h)
Ciclohexano Benceno 1,2-Propanodiol
1 700 50 28 8 700 0 0 0
2 740 45 28 10 750 75.49 14.25 0.7423
3 780 45 28 10 780 75 24.18 0.8184
4 790 45 28 10 800 74.99 14.28 0.7155
5 790 45 28 10 815 74.28 0.1254 0.5859
Nota: En La primera corrida la columna no converge, se varió el flujo de trazador y el flujo
de fondos que fueron las variables que afectaban en mayor mediada la recuperación de
ciclohexano y la aparición de benceno en el destilado, llegando a una convergencia y una
recuperación de ciclohexano del 99%.
Figura 16. Etapas, localización para la alimentación y trazador de la columna 1.
Figura 17. Reflujo y cantidad de fondos para la columna 1.
Figura 18. Cantidad de trazador para la separación en la columna 1.
Figura 19. Cantidad de fondos de la columna 1.
Figura 20. Columna 2, método riguroso.
Nota: Con los datos obtenidos de la columna 1 ahora se simula la columna 2, variando los
parámetros número de etapas, reflujo, y flujo de fondos.
Tabla 9. Análisis de sensibilidad para cada corrida, variación de etapas, reflujo y fondos de
la columna 2.
Corridas Número
de etapas
Etapa de
alimentación Reflujo
Fondos
(Lbmol/h)
Destilado (Lbmol/h)
Ciclohexano Benceno 1,2-Propanodiol
1 16 8 1.33 700 0.001 23.5 89.39
2 16 8 1.33 780 0.001 23.6 9.39
3 16 8 8 780 0.001 23.6 9.39
4 20 10 10 785 0.001 23.6 4.39
5 20 10 10 788 0.001 23.6 1.39
Nota: Se varió principalmente el reflujo y los flujos de fondos, variables que afectaban en
mayor mediada la recuperación de benceno y la aparición de 1,2-propanodiol en el
destilado, llegando a una convergencia y una recuperación de benceno del 95%.
Figura 21. Etapas, localización para la alimentación a la columna 2.
Figura 22. Reflujo y cantidad de fondos para la columna 2.
Figura 23. Cantidad de fondos de la columna 2.
Nota: Una vez hecha la simulación para las columnas, se procede a colocar la recirculación
para la separación del sistema.
Figura 24. Secuencia de columnas y recirculación, método riguroso.
Nota: Al colocar la recirculación no convergían las columnas por lo que se varió la
cantidad de trazador inicial, hasta encontrar la cantidad con la se llegara a una solución, y
se obtuvieran destilados de ciclohexano y benceno del 96% y 94% respectivamente.
Figura 24. Recuperación de ciclohexano y benceno en el destilado.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Al realizar las simulaciones anteriores se tienen lo siguientes resultados:
Tabla 10. Resultados de la columna 1.
Columna 1
Número de etapas 45
Etapa de alimentación 28
Flujo de trazador (Lbmol/h) 2
Etapa de alimentación de trazador 2
Reflujo 10
Flujo de fondos (Lbmol/h) 813
Recuperación de ciclohexano (%) 96
Figura 25. Perfiles de temperatura y flujo de vapor interetapa para la columna 1.
Tabla 11. Resultados de la columna 2.
Columna 2
Número de etapas 20
Etapa de alimentación 10
Reflujo 10
Flujo de fondos (Lbmol/h) 788
Recuperación de benceno (%) 94%
Figura 26. Perfiles de temperatura y flujo de vapor interetapa para la columna 2.
Las figuras anteriores muestran la distribución de las temperaturas y flujos de vapor entre
etapas, como se puede observar este proceso de separación requiere de mucha energía para
llegar a las temperaturas de 280-335 F, temperatura de salida de los fondos
respectivamente.
CHEMCAD 6.3.1
Simulation: Método riguroso Time: 21:54:43
FLOW SUMMARIES:
Stream No. 1 2 3 4
Stream Name Alimentación 1,2-Propanod Ciclohexano Benceno-1,2-
Temp F 150.0000* 150.0000* 207.6041 335.6055
Pres psia 25.0000* 25.0000* 25.0000 25.0000
Enth MMBtu/h -4.2285 -0.42639 -4.8405 -158.25
Vapor mole frac. 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000
Total lbmol/h 100.0000 2.0000 77.0000 813.0000
Total lb/h 8264.9248 152.1900 6461.5835 61918.3633
Total std L ft3/hr 164.4360 2.3388 131.3616 956.8868
Total std V scfh 37947.86 758.96 29219.84 308515.97
Flowrates in lb/h
Cyclohexane 6312.0752 0.0000 6256.5171 55.5580
Benzene 1952.8500 0.0000 102.3226 1850.5277
1,2-Propylene Gl 0.0000 152.1900 102.7435 60012.2773
Stream No. 5 6 7
Stream Name Reciclo Benceno 1,2-Propanod
Temp F 400.8432 208.7674 401.4295
Pres psia 25.0000 25.0000 25.0000
Enth MMBtu/h -155.84 0.43147 -155.41
Vapor mole frac. 0.00000 0.00000 0.00000
Total lbmol/h 790.0000 24.9999 788.0000
Total lb/h 60115.0273 1955.5231 59962.8359
Total std L ft3/hr 923.8125 35.4130 921.4738
Total std V scfh 299788.00 9486.93 299029.03
Flowrates in lb/h
Cyclohexane 0.0000 55.5580 0.0000
Benzene 0.0000 1850.5271 0.0000
1,2-Propylene Gl 60115.0273 49.4380 59962.8359
Nota: La separación de la mezcla se hizo de manera satisfactoria con la secuencia
propuesta, la inclusión de la recirculación permite utilizar una cantidad pequeña de trazador
para llevara a cabo el proceso.
CONCLUSIONES
De acuerdo a lo anterior obtenido, se pueden hacer las siguientes conclusiones:
1. La destilación azeotrópica para la mezcla ciclohexano-benceno es difícil de realizar por
que se tiene una alta no idealidad del sistema, provocando en algunas ocasiones que las
simulaciones no converjan, y se encuentren datos sin fundamento físico en los métodos
rigurosos.
2. Los métodos cortos permiten sin dificultad la realización de las separaciones, y dan una
idea del comportamiento de la mezcla, pero no sirven de mucho al momento de llevar a
cabo las simulaciones con los métodos rigurosos, por que se tenían iteraciones hasta de
5 minutos cada una y no se llegaba a una convergencia.
3. Se logró la separación mediante la utilización de 1,2-propanodil obteniéndose 96% y
94% de pureza de ciclohexano y benceno respectivamente, para columnas acopladas
con 45 y 20 etapas y flujo de trazador de 2 Lbmol/hr con recirculación.
4. La destilación azeotrópica no es la mejor manera de separar ciclohexano y benceno, por
el estrecho margen de volatilidades de solo 0.4 °C, resultando en procesos costos en
cuanto a energía consumida, además la formación de varios azeótropos.
5. Se debe realizar esta separación por destilación extractiva, o por pervaporación
mediante membranas, permitiendo que los trazadores modifiquen el equilibrio entre el
ciclohexano-benceno y las regiones de destilación se encuentren bien marcadas y no
limiten al ingeniero para realizarla con éxito.
6. Se completó satisfactoriamente la separación, con buenos resultados de recuperación,
después de un arduo trabajo bibliográfico y práctico con ayuda del simulador elegido.
BIBLIOGRAFÍA
1. Castillo C (1998). Diagramas de fase para dos y tres componentes. Facultad de
Ciencias Físicas y Matemáticas. Departamento de Química. Universidad de Chile.
2. www.sinorg.uji.es (2011). Química Orgánica. Tema 9. El benceno y sus derivados.
Universidad de JAIME 1. Castellón de la Plana. España.
3. Curso de Química Orgánica General (2005). Propiedades de los cicloalcanos.
Universidad del Valle. Santiago de Cali. Colombia.
4. Tojo J y colaboradores (2000). Procesos de separación. Departamento de Ingeniería
Química. Universidad de Vigo. España.
5. Hoja de datos técnicos (2000). 1,2 propanodiol industrial de Dow.
6. Álvarez D, (2011). Tesis de Maestría: “Simulación del Proceso de Producción de
Biodiesel a partir de aceites de Jatropha e Higuerilla. Universidad Michoacana de
San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán. México.
7. Cortez E, (2003). Tesis de licenciatura: “Fundamentos de Ingeniería para el
Tratamiento de los Biosólidos generados por la depuración de aguas servidas de la
Región Metropolitana”
8. Enley-Seader, (2000). Operaciones de Separación de etapas de equilibrio en
Ingeniería Química.