Cloruro De Vinilo 542j3w

“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

“AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

ASIGNATURA

: Simulación y Optimización de Procesos

TEMA

: Ejercicios de Paquetes de Fluidos

DOCENTE

: Ing. JIMENEZ ESCOBEDO, Manuel José

CICLO

:X

ALUMNOS

: GOMEZ LA ROSA, Karolina JAMANCA ANTONIO, Edgar Martin SILVESTRE QUISPE, Christian Jesús

Huacho – Perú

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo

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Caso II 1. Determinar qué Paquete de Fluidos permite calcular las temperaturas de ebullición del etileno, cloro, cloruro de vinilo y cloruro de hidrógeno con la menor desviación respecto a los datos experimentales a 1 atm. Hacer un análisis comparativo. 2. Comprobar que:  El etileno es gas y el cloro es líquido en las condiciones de almacenamiento del proceso.  El dicloroetano es líquido a la presión y temperatura a que opera el reactor de cloración directa.  La temperatura del punto de burbuja de la mezcla líquida que se alimenta a la primera columna de rectificación es 6 ºC a la presión de 12 atm.  La temperatura de rocío de la corriente que sale del horno de pirolisis a 26 atm es 170 ºC.  La mezcla líquida contenida en el calderín de la primera columna de rectificación hierve a 93 ºC para la presión de operación de la columna (12 atm).  El cloruro de vinilo hierve a 33 ºC a la presión de 4,8 atm. 3. Obtener los diagramas isobáricos de equilibrio temperatura-composición y composición para la mezcla cloruro de vinilo/dicloroetano que se destila en la segunda columna del proceso de obtención de cloruro de vinilo.

SOLUCIÓN PROCESO DE CLORURO DE VINILO

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo

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Paso I: Iniciando HYSYS Ejecutamos el programa de simulación de hysys 3.2, en la cual nos abrirá la siguiente ventana, la cual muestra distintas opciones ejecutables para poder establecer un programa de simulación, en la primera pestaña que indica components que se encuentra de negrita en la imagen; se adicionara los componentes que se va a simular en este caso los componentes de la primera parte para calcular el punto de ebullición y comprarlos los datos obtenidos con datos dados.

Ingreso de los componentes de la simulación en HYSYS 3.2

Paso II: Introduciendo los compuestos (etileno, cloro, cloruro de vinilo y HCl) En la ventana aparece una lista de componentes de las cuales uno debe ingresar los nombres o fórmula para que lo ubique y después de haber encontrado añadirla en el comando “Add pure” y luiego aparecerá una lista de los componentes seleccionados; en este cado seleccionamos los componentes que intervienen en el problema caso; y después la ventana que se muestra a continuación indica la manera en la cual se puede ingresar a la base datos del simulador, en esta paso se puede apreciar la cantidad de sustancias que cuenta dentro de su base de datos del simulador, así como los distintos paquetes de fluido o Fluid Pckgs

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS Lista o base de datos de los componentes que se encuentran dentro del simulador En el paquete de fluido se selecciona el modelo termodinámico en la cual se desea trabajar, la selección del modelo permitirá la presión al calcular los datos o el proceso y evitar errores. Para ello trabajamos con la Ecuaciones de estado (EOS) donde se encuentra modelos de coeficiente de actividad, especiales como son las correlaciones teóricas o empíricas. Los modelos EOS pueden representar fases liquidas y vapor, mientras que los modelos gamma representan solamente la fase liquida del sistema. Por esta razón, se utilizan junto con una ecuación de estado para representar el vapor. En la siguiente ventana se muestra los EOS que cuenta el simulador, simularemos con algunos modelos EOS para visualizar cual es el más adecuado que nos resulta menos errores.

Paso III: Entrando al ambiente de simulación Ya que se tiene la información necesaria iniciar la simulación; pasamos a desarrollar la simulación. Pero para ello debe de haberse cargado todos los datos necesarios en el simulador ya que si falta algún dato se mostrara una ventana de advertencia. Si todo esta correcto se pasa a escoger la opdion Enter Simulation Environment la cual nos dará la imagen en donde se va a simular.

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donde se simulara el proceso

Paso IV: Cálculos del caso Pregunta 1 ETILENO

Ingresamos la corriente que vamos a calcular el punto de ebullición, para es necesario ingresar los datos necesarios para que a partir de ello nos calcule el punto de ebullición del componentes, para todos se trabajo a 1 atm de presión. Debemos tener criterio al ingresar los datos.

En esta ventana nos muestra la temperatura del punto de ebullición para el etileno que es 104.1 °C (EOS Peng - Robinson)

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS CLORO

En esta ventana nos muestra la temperatura del punto de ebullición para el cloro que es -84 °C (EOS Peng - Robinson)

CLORURO DE VINILO

En esta ventana nos muestra la temperatura del punto de ebullición para el cloruro de vinilo que es -15.57 °C (EOS Peng - Robinson)

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS ACIDO CLORHÍDRICO

En esta ventana nos muestra la temperatura del punto de ebullición para el HCL que es 3.45 °C (EOS Peng - Robinson) ANALISIS Después de haber simulado con las diferentes EOS que contiene el paquete de fluido, mostraremos una tabla en la cual muestre la temperatura real del fluido (obtenida de Manual del Ingeniero Químico Perry). Compuesto C2H4

Diferencia(TE-EOS) (°C)

Temperatura de ebull. (°C)

-103.9

BWRS

-103.86

-0.03

KabadiDanner

-103.6

-0.21

Lee KeslerPlocker

-104.08

0.18

Peng Robinson

-104.08

0.18

PR Twu

-103.80

-0.09

PRSV

-103.66

-0.23

Sour PR

-104.08

0.18

Sour SRK

-103.68

-0.21

SRK

-103.68

-0.21

SRK Twu

-103.77

-0.12

TwuSimTassone

-103.81

-0.08

ZudketvichJoffee

-103.84

-0.05

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo

“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS Compuesto Cl2

Diferencia(TE-EOS) (°C)

Temperatura de ebull. (°C)

-34.6

BWRS

-34.09

-0.50

KabadiDanner

-32.72

-1.87

Lee KeslerPlocker

-33.26

-1.33

Peng Robinson

-33.45

-1.14

PR Twu

-34.14

-0.45

PRSV

-33.14

-1.45

Sour PR

-33.45

-1.14

Sour SRK

-32.72

-1.87

SRK

-32.72

-1.87

SRK Twu

-34.02

-0.57

TwuSimTassone

-34.19

-0.40

ZudketvichJoffee

-34.00

-0.59

Compuesto Cloruro de vinilo

Diferencia(TE-EOS) (°C)

Temperatura de ebull. (°C)

-13.8

BWRS

-17.20

3.40

KabadiDanner

-15.09

1.29

Lee KeslerPlocker

-16.83

3.03

Peng Robinson

-15.57

1.77

PR Twu

-13.52

-0.27

PRSV

-14.02

0.22

Sour PR

-15.57

1.77

Sour SRK

-15.09

1.29

SRK

-15.09

1.29

SRK Twu

-13.72

-0.07

TwuSimTassone

-13.31

-0.48

ZudketvichJoffee

-13.78

-0.01

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo

“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS Compuesto HCl Temperatura de ebull. (°C)

Diferencia(TE-EOS) (°C)

-85

BWRS

-86.19

1.19

KabadiDanner

-83.86

-1.13

Lee KeslerPlocker

-85.85

0.85

Peng Robinson

-84.33

-0.66

PR Twu

-84.90

-0.09

PRSV

-84.77

-0.22

Sour PR

-84.33

-0.66

Sour SRK

-83.86

-1.13

SRK

-83.86

-1.13

SRK Twu

-84.86

-0.13

TwuSimTassone

-84.92

-0.07

ZudketvichJoffee

-85.05

0.05

Como podemos diferenciar en las tablas vemos de todas ecuaciones de estado de ZudketvichJoffee, tiene menos diferencia o error con la temperatura de ebullición.

PREGUNTA 2 Comprobar que el:

a) El etileno es gas y el cloro es líquido en las condiciones de almacenamiento del proceso. Evaluaremos la condición de almacenamiento a 2 atm de presión y 25°C. Para el etileno:

Debemos tener en cuenta que debemos ingresar las condiciones de entrada en este caso que son la presión y temperatura y nos indica que el etileno a estas condiciones es

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS gas(EOS ZudketvichJoffee); y en la parte Liq Vol Flow indica que no existe liquido y esta totalmente en estado vapor. Para el cloro: Para el cloro utilizamos:

Debemos tener en cuenta que debemos ingresar las condiciones de entrada en este caso que son la presión y temperatura y nos indica que el etileno a estas condiciones es gas(EOS ZudketvichJoffee); y en la parte Liq Vol Flow indica que hay 4.961 m3/h, quiere decir que se encuentra una cantidad de liquido asociado al cloro, pero todo no es liquido porque se encuentra una cantidad de vapor en su composición según se muestra la tabla anterior. b) El diclorometano es líquido a la presión y temperatura a que opera el reactor de cloración directa. La reacción que ocurre es de cloración directa:

Para la reacción se necesita un reactor donde ocurrirá la reacción mencionada:

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS En esta parte se ingresaron los componentes y además como ocurre una reacción debemos especificarla ingresando los coeficientes para determinar los reactantes y productos y no ocurra un problema durante la simulación.

Esquema donde se muestra el proceso de la reacción:

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Para comprobar que el diclormetano es liquido.

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Buscando la opción de balances de materiales, nos mostrara la tabla con las composiciones en cada corriente. Como podemos apreciar, las corrientes que entran al reactor es netamente puro en el sistema para ambos casos.

c) La temperatura del punto de burbuja de la mezcla líquida que se alimenta a la primera columna de rectificación es 6 ºC a la presión de 12 atm. Nos precisa que la mezcla que ingresa a la columna de rectificación es la mezcla que sale del horno de pirolisis, donde se lleva a cabo la siguiente reacción Tomando como base 1.00 mol para el cálculo en la simulación  0.14 de dicloroetano (C2H4Cl)  0.43 de cloruro de vinilo(C2H3Cl)  0.43 de ácido clorhídrico (HCl) Con esa composición dentro de la reacción y a una presión de 12 atm, simularemos el punto de roció con el hysys 3.2. Ingresando los datos que intervienen en la simulación:

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Como ocurre una reacción debemos especificar en el simulados basis Manager, debemos especificar los coeficientes para detallar cual son los reactantes y el producto:

Ahora ingresamos los moles de fracción de la mezcla como especificamos anteriormente:

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El punto rocio calculado el 6.038 a la presión de 12 atm

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“Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Ing. QMyA – Escuela Profesional de Ingeniería Química SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS d) La temperatura del punto de rocío de la corriente que sale del horno de pirólisis a 26 atm es 170ºC. Ingresamos los compuestos que intervienen en el proceso global:

Luego generamos paquetes de fluidos de Peng – Robnson, NRTL – PR, PRSV y SRK:

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Luego agregamos una corriente pulsando “F11” e ingresamos las composiciones que según la literatura son las siguientes que salen del horno de pirolisis:

Luego escogemos el paquete de fluido e ingresamos la Fracción de Vapor de 1 y la presión que es de 26 atm y se genera el punto de roció como se muestra a continuación:

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Luego con ayuda del “Workbook” creamos más corrientes que se someten a diferentes paquetes de fluidos mostrando los resultados de punto de rocío:

e)

La mezcla líquida contenida en el calderín de la primera columna de rectificación hierve a 93ºC para la presión de operación de la columna (12 atm). Para este caso vamos a compara modelos termodinámicos y determinar cual presenta mayor precisión con respecto a la temperatura de ebullición. A partir de datos ingresados anteriormente, generamos una corriente pulsando “F11” y lo primero es ingresar la composición que en este caso es de 0.3998 para el dicloroetano y 0.6002 para el cloruro de vinilo, que se encontró en la literatura:

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Con ayuda del “Workbook” creamos 3 corrientes más e ingresamos los datos de Fracción de Vapor de 1 y Presión de 12 atm y un paquete de fluidos distintos para cada corriente, y nos muestra a continuación los distintos resultados de temperatura de ebullición:

f)

El cloruro de vinilo hierve a 33 ºC a la presión de 4,8 atm. A partir de datos ingresados anteriormente creamos una corriente denominada Cloruro de Vinilo e ingresamos la composición que en este caso es un corriente pura:

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Luego escogemos el paquete de fluidos de Peng – Robinson, e ingresamos el valor de la Fracción de Vapor igual a 1 y la presión de 4.8 atm y no generara la temperatura de ebullición como se muestra a continuación:

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PREGUNTA 3 Obtener los diagramas isobáricos de equilibrio temperatura-composición y composición para la mezcla cloruro de vinilo/dicloroetano que se destila en la segunda columna del proceso de obtención de cloruro de vinilo. Para ello debemos de haber incluido la extensión “Equilibrium Plots”, para realizar una grafica se pulsa “F12”, se abrirá una caja de dialogo donde se selecciona la categoría “Extensions” y se agrega la opción “Equilibrium Plots”:

A partir de compuestos anteriormente ingresados y paquete de fluidos de Peng Robinson, que es el modelos más recomendados para estas sustancias, procedemos a ingresar los compuestos que en este caso se va a analizar el equilibrio de composición del cloruro de vinilo/dicloroetano, se ingresa la presión que es de 4.8 atm y se hace click en “Plot”, a continuación se muestran los siguientes resultados:

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo

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De manera análoga se cambia en la lista denominada “Plot Data”, y se selecciona “TXY Plot”, se ingresa la presión 4.8 atm y se procede a hacer click en “Plot”, mostrándose los siguientes resultados:

CONCLUSIONES  Es muy importante tener en cuenta las ventajas que nos dan los modelos termodinámico, pero también debemos tener muy presente sus limitaciones y ver hasta qué punto es fiable contar con tales datos o paquetes de fluidos.  El modelo termodinámico que mejor predice las temperaturas de ebullición de los compuestos que se manifiestan en el proceso de producción de cloruro de vinilo es el método de ZudketvichJoffee.  De los modelos termodinámicos Peng – Robnson, NRTL – PR, PRSV y SRK, el más exacto en hallar los puntos de ebullición de las especies en mezcla es el de NRTL – PR.  Es de mucha utilidad el uso del complemente “Equillibrium Plots”, con el cual se generan las curvas de composición y temperatura - composición requeridas en el ejercicio 3, de manera simple y rápida, según el modelo termodinámico o mezcla de modelos que se desee usar, pero con criterio.

Ing. Manuel José Jiménez Escobedo