Multiplicidad de análisis en la columna de destilación reactiva utilizando ASPEN

PLUS *

Resumen Los procesos de destilación reactiva para la síntesis de etileno glicol (EG) y etil ter-butil éter (ETBE) fue modelada con el paquete de simulación ASPEN PLUS. La multiplicidad de entrada y salida de multiplicidad se analizaron con el método de análisis de sensibilidad para ambos casos. En el proceso de producción, por ejemplo, las multiplicidades de estado estacionario se estudiaron en términos de volumen efectivo atraco líquido y la relación de ebullición-up. En el proceso de síntesis de ETBE, la subrutina de usuario cinético fue suministrado en ASPEN PLUS en primer lugar, y luego la composición, la temperatura y la velocidad de reacción de los perfiles dentro de la columna de destilación reactiva se presenta en detalle. Un conjunto de ramas solución estable basado ondistinct aproximaciones iniciales para una gama de proporción borbolleo se encontraron en la síntesis de EG. Multiplicidades de entrada se observaron para una gama de deber rehervidor en varios valores de relación de reflujo para el proceso de síntesis de ETBE. Estos resultados se pueden utilizar para evitar un consumo excesivo de energía y lograr un diseño óptimo de la columna de destilación reactiva.

INTRODUCCIÓN

Destilación reactiva es un concepto de reactor multifunción combinando reacción química y Destilados n ~ "- ~" La inserción de reacción y destilación en una unidad puede producir varias ventajas:. (1) selectividad y conversión se puede mejorar mediante la eliminación continua de los productos de la zona de reacción , (2) la integración de calor directo disminuye la demanda de calor especialmente para la reacción exotérmica fuerte, de modo que punto caliente consiguiente, se evita, (3) Combinación de la reacción y separación en una unidad conduce al ahorro de capital significativo, (4) Cuando el alimento punto se encuentra por debajo de la zona de reacción, el envenenamiento del catalizador puede evitarse, lo que resulta en una vida del catalizador más larga que en el convencional

sistemas. Debido a la interacción entre la reacción química y la destilación, la destilación reactiva puede exhibir intrincados fenómenos no lineales y m ~ ltiplicity [~ - ~ T] w. o Los tipos de multiplicidades tales como la multiplicidad y multiplicidad de entrada de salida han sido confirmados en los procesos de destilación reactiva.

Multiplicidad de entrada se refiere al caso en que los estados de salida Fmed parece corresponder a un conjunto múltiple de variables de entrada. Depende de la elección de la salida o variables medidas, y siempre se asocia con la los llamados dinámica cero del sistema, que puede ser observado por una respuesta inesperada inversa de la salida. Por otro lado, la multiplicidad de salida indica el caso en que los estados de entrada fijos corresponden a un conjunto múltiple de estados de salida que posiblemente contienen ambos estados estables e inestables. Sólo los estados estables tienen importancia práctica, algunos de los estados estables son deseables, y los estados de descanso son triviales para la práctica

aplicación. Para diseñar un proceso de destilación reactiva, es importante para descubrir todos los estados estacionarios múltiples en el dominio práctico de variables de funcionamiento, para saber si son deseables, y para comprender cómo la columna respuesta a los cambios en las variables de operación. Para la producción de etilenglicol (EG), Chic y Miao "usado" un modelo de equilibrio con el método de continuación homotopía para mostrar la existencia de múltiples estados estacionarios. Sin embargo, sólo un parámetro de operación, el atraco global efectivo líquido se investigó, otro importante las variables de operación como la razón de reflujo y el deber del calderín no fueron considerados en funcionamiento en la práctica.

Sneesby et aZ. [9s'd0e1s describió la multiplicidad de entrada para la síntesis de etil terc-butil éter (ETBE) y se indica el significado de la multiplicidad de entrada para procesar los problemas de control. Bisowarno y Tad & "] evaluó la importancia de la multiplicidad de entrada durante el arranque por simulación dinámica. Aunque varios autores simuló el proceso de destilación reactiva de la síntesis de ETBE, la multiplicidad de salida se mencionó raramente y los efectos de los parámetros de operación sobre el rendimiento de la columna no se examinaron a fondo.

El objetivo de este trabajo es analizar y discutir el estado de equilibrio multiplicidad más a fondo y de forma global teniendo en cuenta más parámetros de operación de la columna de destilación reactiva. Tlvo casos, por ejemplo la producción y síntesis de ETBE, se eligen como el sistema modelo utilizando el paquete de simulación ASPEN PLUS, que es ampliamente utilizado para la simulación del diagrama de flujo en las industrias de proceso "2 -. 'S1 Las soluciones

múltiples pueden ser encontradas mediante la realización de un análisis de sensibilidad en uno o más parámetros, o adivinar variando inicial, la multiplicidad de entrada y salida puede ser así confirmado.

PROCEDIMIENTO BÁSICO PARA ANÁLISIS de LA MULTIPLICIDAD

Con el fin de analizar la multiplicidad en la columna de destilación reactiva usando ASPEN PLUS, dos pasos básicos son necesarios.

En primer lugar, la columna de destilación reactiva es simulada por el módulo, RadFrac. Para este propósito, ASPEN PLUS requiere la especificación de los componentes, método de propiedad, condiciones de alimentación (caudal, composición y estado térmico), la presión de funcionamiento, la configuración de columna (número de etapas, punto de alimentación, etapa de reacción, tipo de condensador y el rehervidor), dos parámetros de operación, y el tipo de reacción. Los dos parámetros de funcionamiento se pueden elegir de un conjunto de parámetros tales como la relación de reflujo, la tasa de destilado, la tasa de fondos, deber rehervidor, deber condensador, etc El tipo de reacción se puede elegir de equilibrio cinético, y la conversión.

En segundo lugar, el análisis de sensibilidad se lleva a cabo para investigar los efectos de los parámetros de funcionamiento en el rendimiento de la columna. Como una de las herramientas de análisis del modelo,

análisis de sensibilidad proporciona un método factible para encontrar multiplicidad en la columna de destilación reactiva. En los estudios siguientes, se selecciona la opción de que los resultados actuales se utilizan como estimaciones iniciales para el siguiente paso. En este caso, sólo un parámetro de funcionamiento y las estimaciones iniciales son variables. Las simulaciones son trivialmente convergente a extremas (muy bajo y muy alto) valores de parámetro determinado en un primer momento, y luego el parámetro varía de forma continua con un pequeño paso hacia el otro extremo.

Si se produce divergencia, el tamaño de paso se reduce por medio hasta que el tamaño de paso es lo suficientemente pequeño. El procedimiento de simulación anterior se repite para todos los parámetros de funcionamiento posibles hasta que todos los casos interesantes son convergentes.

Después de las curvas de la solución se observan y analizan, la existencia multiplicidad en la región de operación se puede determinar. Es de interés para analizar por qué varios estados estables se puede encontrar mediante la realización de un análisis de sensibilidad.

Un comportamiento de la solución típica se muestra en la figura 1 para el sistema que se encuentra en la región de la multiplicidad de salida. Cuando el valor del parámetro 1 está en el intervalo entre a y b, el sistema tiene tres estados, A, B y C con valor diferente de y. En este caso, conjetura inicial conduce a si una simulación converge hacia el estado estacionario de alta o baja o si se produce divergencia. Con el fin de rastrear el estado de equilibrio vías de solución, las simulaciones se ejecutan fuera de la región de la multiplicidad. Una vez que converge la simulación, los resultados actuales se utilizan como la estimación inicial y, a continuación un pequeño paso está asignado al parámetro 1.

Según convergencia local del algoritmo, la solución será trazar una ruta de estado estacionario solución y no se desvían hasta un punto de inflexión tal como el punto c y d se encuentra Yhen el paso es lo suficientemente pequeño. Cuando la

solución se acerca al punto de inflexión, salta de rama en solución a otro o divergencia se va a producir. A partir del comportamiento de la curva de disolución, la multiplicidad y puntos de inflexión se puede determinar.

Fig 1 Comportamiento típico del parámetro de destino en el región de la multiplicidad de salida

3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3,1 multiplicidad análisis para la síntesis de EG

La hidratación del óxido de etileno (EO) es irreversible y procede en presencia de un catalizador:

Simultaneously, a side reaction in which EG reacts with ethylene oxide to yield diethylene glycol (DEG) will take place:

Baur. indicaron que existen dos desventajas principales para la producción de EG en un reactor convencional. En primer lugar, la velocidad de reacción constante de la reacción secundaria es aproximadamente tres veces la de la reacción principal, por lo tanto, una considerable cantidad de DEG se produce. En segundo lugar, las dos reacciones son altamente exotérmica y requieren mejor control de la temperatura. Una columna de destilación reactiva ofrece tanto las ventajas de la integración de calor y la eliminación oportuna del producto deseable, por ejemplo, para prevenir una reacción posterior a la formación de manchas DEG Así, proceso de destilación reactiva aumenta la selectividad, alcanza un mejor control de la temperatura y evita caliente.

La ecuación de velocidad y la constante de velocidad de reacción se tomaron de Ciric y Miao.

donde T es dada en K.

La figura 2 muestra una configuración de columna utilizada para la producción de EG. Esta columna contiene 10 bandejas que incluyen un condensador total y un reboiIer parcial. Un destilado para alimentar a razón de 0,01 se mantiene. Agua de alimentación entra en la bandeja superior de la columna, mientras que la alimentación de EO se distribuye a lo largo de la sección superior de la columna.

Las reacciones se supone que se producen sólo en la fase líquida de bandejas 2-6, debido a la presencia de un catalizador.

La retención de líquido total efectiva, 2.5m3, se distribuye uniformemente entre las bandejas de reacción. Todas las corrientes de alimentación entrar en ebullición. El WILSON vapor-líquido modelo de equilibrio se utilizó para predecir actividades de los componentes debido al fuerte no idealidad de la mezcla reactiva. Los parámetros de funcionamiento y sus valores para el caso base se muestra en la Tabla 1.

Para localizar los estados estacionarios, el atraco líquido eficaz y borbolleo relación son elegidos como los parámetros de continuación. La figura 3 muestra que tres estados estacionarios están presentes en un rango de volumen de atraco. La rama solución bajo se puede conseguir cuando el atraco líquido efectiva se incrementa desde cero. Es de interés notar que hay un aumento repentino de la pureza por ejemplo, cuando la fracción volumétrica de líquido efectiva se incrementa a 3.9m3. Entonces, hay una superposición de rama baja y la rama intermedia cuando el atraco líquido eficaz es 3.9m3 y 4.9m3 entre. Después del atraco líquido efectivo se incrementa hasta 4.9m3, la divergencia se produce. Sin embargo, si la fracción volumétrica de líquido efectiva se redujo de 4.9m3, la solución no es trazar la misma trayectoria, y la rama intermedia, como se muestra por la línea de trazos en la figura 3 se ha encontrado. Cuando el atraco líquido efectivo se redujo de valores muy grandes, la rama solución de alto se encuentra. Por supuesto, hay muchos otros métodos para encontrar tres ramas de la solución. ¿Qué solución se puede encontrar rama depende de la estimación inicial introduce en ASPEN PLUS.

Por ejemplo, perfiles de fracciones molares de los tres estados estacionarios en el caso base se muestra en la figura 4, mientras que la distribución de otros parámetros de operación de la tecla de tres estados estacionarios en el caso de atraco líquido eficaz alcanza 3.8m3 se enumeran en la Tabla 2.

Las líneas continuas en la figura 4 representan la rama alta y solución rama solución bajo, respectivamente. La línea discontinua representa la rama solución intermedia. Sistema EG es un buen caso para estudiar múltiples estados estacionarios en el proceso de destilación reactiva. En este sistema de tres estados múltiples existen en una amplia gama y la diferencia entre el estado de baja constante y el estado de equilibrio de alta es muy interesante. En el caso base, la pureza EG de estado estacionario bajo está cerca de cero y EG casi no se produce. Sin embargo, en la alta pureza constante EG estado es de aproximadamente 93,5% y una gran cantidad de EO reaccionar con agua para producir EG multiplicidades de salida también se encuentran cuando otheroperating variables tales como borbolleo proporción se eligen como parámetros de continuación. La figura 5 muestra la multiplicidad de salida para un intervalo de relación de borbolleo, y las ramas solución estable que se encuentran aquí son diferentes de papel anterior.

Aquí, cuatro ramas distintas solución estable basado en cuatro diferentes suposiciones iniciales de relación de borbolleo se comparan como ejemplo, que son 0,0001, 0,1, 0,7 y 1,0. Los resultados de la simulación indican que la estimación inicial afecta fuertemente la capacidad de separación de una columna de destilación reactiva, y con el aumento de la inicial borbolleo relación, la capacidad de separación se vuelve peor. Una vez que el estado se determina en una rama solución, mantendrá allí de forma estable incluso a un valor muy grande o pequeña proporción de ebullición-up.

Multiplicidad análisis para la síntesis de ETBE

ETBE ha emergido recientemente como un combustible oxigenado potencial ya que se puede obtener a partir de fuentes bi-etanol. Además, ETBE posee cualidades superiores como inferiores mezcla presión de vapor Reid en comparación

con MTBE. La mezcla reactiva es considerado isobuteno (IB) que reacciona con etanol (EtOH) para producir el producto deseado ETBE, en la presencia de dos componentes inertes(1-buteno y cis Zbutene-):IB + EtOH H ETBE (5)

En esta reacción, un catalizador heterogéneo, por ejemplo, un fuerte ácida macro poroso resina de intercambio iónico, se puede utilizar. Una expresión de velocidad basado en la actividad se ha usado para describir la cinética de la síntesis catalizada por ETBE Amberlyst 15. La expresión de la velocidad de reacción se muestran como sigue.

donde T es dada en K. Una subrutina de usuario cinética programada por FORTRAN fue incorporada en la simulación ASPEN PLUS. En esta simulación, el equilibrio vapor-líquido es descrito por el modelo UNIFAC. La columna elegida para la síntesis de ETBE se tomó básicamente del papel en la simulación dinámica. Esta columna tiene 20 etapas, un rehervidor parcial y un condensador total, Etapas 4-12 de sección de reacción, etapas 1-3 para la sección de rectificación y Etapas 13-20 para la sección de extracción. Fig.6 muestra la configuración de la columna para el caso base en detalle.

la figura 6ETBE sistema: Columna de configuración y especificación simulación ASPEN PLUS(= presión de 700kPa; Alimentación 1: EtOH-O.312mol ~ s-'; Alimentación 2: IB-0.3Omol.s-', l-buteno - 4.35mol ~ s-', cis-2-buteno-O. 35mol ~ s-'; líquido en el punto de ebullición; relación de reflujo = 5; rehervidor deber = 76000W, catalizador de carga de 2 kg por etapa)

Los perfiles de composición dentro de la columna se muestra en la figura 7, donde la fase líquida está dominado por 1-buteno y cis-2-buteno desde el condensador hacia abajo a la Etapa 16. Debajo de la fase 16, el líquido rápidamente se vuelve rica en ETBE por el aumento de la temperatura. Esto se refleja en el perfil de temperatura mostrado en la figura 8. La temperatura casi mantiene constante desde la etapa superior a la etapa 16, pero por debajo de la etapa 16, la temperatura aumenta drásticamente a 405K cuando la temperatura del intercambiador de calor está cerca del punto de ebullición del ETBE. Estos cambios son principalmente debido a la gran diferencia entre los valores K para ETBE y los de los otros cuatro componentes.El perfil de velocidad de reacción se muestra en la figura 9 indica que la reacción directa domina todas las etapas de la sección de reacción. La cantidad más grande de la reacción se produce en la etapa 4, donde el alimento entra en EtOH,

y luego disminuye rápidamente a lo largo de la sección de reacción. Sin embargo, aumenta un poco al final de la sección de reacción debido a que el IB,1-buteno y alimentación de cis-2-buteno entra en la etapa 13.

Figura 7: en fase líquida perfil de fracción de masa en la columna (Cuadro) IB; (circulo) 1-buteno; (triangulo HACIA arriba) cis-2-buteno; (triangulo HACIA abajo) EtOH; (rombo) ETBE

. Figura 8 Perfil de temperatura en la columna

Figura 9 el Perfil de Velocidad de Reacción

Multiplicidad de entrada ¿Cómo Sé Muestra en las Figuras 10 y 11 SE ESTA encuentran en Columna de destilación reactiva ETBE. En la Columna de destilación convencional, la Pureza en la instancia de parte inferior Aumenta monótonamente con el aumento de Deber Calderín. Sin embargo, en el Proceso de destilación reactiva ETBE heno sin Máximo Distinta de la Concentración de ETBE Producto Deseado en la instancia de parte inferior Depende Deber Calderín Cómo Sé Muestra en la Figura 10. En Realidad, la destilación reactiva ETBE no es des Caso especial, Por el fenómeno de la Multiplicidad de entrada ¿existe en la Mayoría de las Columnas de destilación reactiva. Bisowarno y Tadd Dividido elEntrada región Multiplicidad en las controladas y Separación Reacción Controlada. A continuacion El Deber rehervidor Para La Concentración Máxima ETBE, El Sistema está Controlado Por Proceso de separacion, incrementando ASI El Deber Calderín conducen a la Pureza ETBE mejorada debido a la Separación mejorada. Del Mismo Modo, el aumento de la Obligación Calderín conducen al aumento de Temperatura y Concentración de ETBE en la zona de Reacción, y TIENE UN Efecto Negativo Sobre La Pureza del ETBE. Ésto sí Refleja en la reacción controlada por región en el lado de la derecha de la máxima de que la pureza ETBE disminuye con el deber del calderín en aumento. La figura 11 muestra de que presenta los mismos fenómenos cuando la relación de reflujo se elige como variable de funcionamiento con otras variables se mantiene constante.

Figura 10 multiplicidades de entrada para una variación del calderínDeber en las relaciones de reflujo flxed R = 2,7 (las demás condiciones fueron los mismos que aquellos en la Fig. 6)

Figura 11 multiplicidad de entrada para una variación de la relación de reflujo en fijo calderín deber Qw = 76 Kw (otras condiciones fueron los mismos que aquellos en la fig.6) pureza; ----- conversión

Puede ser conocida a partir de la figura 12, en el caso de R = 5, la multiplicidad de salida existe cerca del óptimo re-caldera deber aunque la región es muy estrecha y la brecha entre el estado alto y estado bajo es pequeño. La línea sólida se obtuvo como el deber del calderín aumentó paso a paso, mientras que la línea discontinua se obtuvo como deber calderín cambia en la dirección inversa.

Figura 12 multiplicidad de salida para una variación de deber calderín y la relación de reflujo Fured R = 5 (siendo otras condiciones las mismas que en la figura 6) ------ decreciente deber calderín; - deber creciente calderín

A nuestro leal saber y entender, la multiplicidad de salida se ha dicho fue reportado raramente en la síntesis de ETBE sistemas, la región de funcionamiento es muy estrecho deseable por la razón de que la fracción de masa de ETBE en la parte inferior es extremadamente alta. Esto significa que este proceso tiene que ser operado con un sistema de control estricto.

4 CONCLUSIONES

Múltiples estados estables se encontraron en la destilación reactiva para la producción de ETBE EG y procesos de síntesis por el método de análisis de sensibilidad con diferentes suposición inicial de la solución.Para la síntesis de EG, la multiplicidad de salida se produjo con la variación de los parámetros de operación tales comoatraco efectivo líquido y la relación de reflujo. Un conjunto de ramas solución estable que se basan en distintas aproximaciones iniciales se encuentran para un rango de relación de borbolleo. Estos resultados muestran que un comienzo controlado estrictamente arriba es necesario para el sistema de EG. Para la síntesis de ETBE, la multiplicidad de salida eraencontrar en la relación de reflujo de 5 sobre un rango de nmw deber calderín. Las multiplicidades de entrada se confmed también para una variación de deber rehervidor en varios valores de relación de reflujo.

Las regiones multiplicidad están cerca de los parámetros de funcionamiento óptimos, por lo tanto, debe tenerse en cuenta cuando un diseño óptimo de la columna de destilación reactiva