Modelo riguroso de la columna de destilación

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Universidad Tecnológica Nacional 
Facultad Regional Resistencia 
Operaciones Unitarias II 
 
 
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Trabajo Práctico de simulación con UNISIM Honeywell, complementario al TP N°2 
Tema: Modelo riguroso de la columna de destilación 
 
Ahora estamos en condiciones de abordar el cálculo riguroso de la columna de destilación que tratará la 
mezcla propuesta. 
Antes de hacerlo, veamos brevemente algunas de las posibilidades que se incluyen dentro del módulo de 
destilación. 
Las columnas modeladas con el simulador admiten, además de los productos de tope y fondo, corrientes 
laterales, limitadas en número, obviamente, por la cantidad de platos que tiene la torre. Asimismo, son 
posibles varias corrientes de alimentación. 
Los equipos de intercambio admitidos por UniSim en el cálculo riguroso son, en el tope, un condensador 
total o parcial con un destilado en de ambas fases: líquida y vapor, o esta última solamente. En el fondo, un 
reboiler tipo kettle o dos tipos de termosifones, cuyos esquemas podemos ver en la figura 1 partes a, b y c. 
 
 
 
 
 
En este práctico nos limitaremos a las mismas columnas a las que se aplica el Short Cut. 
 
Si a una columna, donde están determinados el número de platos, la posición del plato de alimentación, la 
presión de trabajo y la corriente de alimentación, le aportamos una cierta cantidad de calor en el reboiler, 
retiramos otra en el condensador y reflujamos una cantidad de líquido, la columna va a funcionar de una 
manera totalmente determinada, en tanto esos valores no se modifiquen. 
Ya que el simulador requiere, obligatoriamente, toda esa información, salvo los tres últimos valores, será, 
entonces, éste el número de variables que podemos ajustar libremente. 
 
Volvamos a nuestro problema y recuperemos el archivo que guardamos al utilizar el módulo Short Cut 
Column, donde estaba especificado el caso termodinámico y la corriente a tratar. Ahora debemos quitar el 
objeto Short Cut Column agregar el equipo. 
UniSim Design dispone de varias configuraciones pre-construidas de columnas, “Column Templates”, para 
simplificar la incorporación de las mismas en la simulación. Algunas de las disponibles son: absorbedora, 
extractor líquido-líquido, absorbedor con reboiler, absorbedor con reflujo y columna de destilación. 
El objeto Column Template contiene las operaciones unitarias y corrientes necesarias para definir el tipo de 
columna particular, así como un conjunto de especificaciones por defecto. En el caso de la columna de 
destilación contiene la sección de los platos separada del condensador y el reboiler. 
Agreguemos, entonces, una Columna de Destilación. 
 
Si bien para especificar la columna de destilación se lo puede hacer, como en cualquiera de los objetos que 
hemos visto, desde las distintas solapas que dispone el módulo, UniSim Design posee un sistema experto 
(Input Experts, IE) que facilita el ingreso de los datos requeridos en los distintos tipos de columnas. 
Obviamente, haciendo uso de IE se ingresa la información necesaria para proceder al cálculo. Si los datos 
que se disponen no coinciden con lo solicitado por IE, puede hacerse un ingreso parcial y luego completarse 
la información accediendo a las solapas del objeto. 
Figura 1a. Marmita (Kettle) Figura 1b. Termosifón de un 
paso 
Figura 1c. Termosifón 
común 
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Para poder usar IE debe estar seleccionada la opción Use Input Experts que se encuentra en el cuadro 
general de opciones de la página Options de la solapa Simulation del menú Tools|Preferences. El uso del IE 
es la opción que tiene seleccionada por defecto UniSim. Obviamente, si al ingresar a la columna no está 
activa la opción Use Expert … , en ese equipo no se podrá utilizar el sistema experto. 
Al hacer un doble clic en la columna, aparece la primera página del IE, en la cual debemos ingresar todas 
las corrientes de materia y energía, el número de etapas, el plato de alimentación y tipo de condensador. 
Hagamos los ingresos, de acuerdo a los resultados del Short Cut Column, como podemos ver en la figura 2. 
 
 Figura 2: Página 1 del Sistema Experto 
 
- El número de etapas que se debe incorporar son etapas teóricas y no incluyen a los equipos de 
intercambio térmico. Si deseamos especificar etapas reales, podemos luego cambiar la eficiencia de 
alguna o de todas ellas. 
- La opción Full Rflx corresponde a un condensador parcial donde el destilado está sólo en fase vapor, en 
tanto que en el Partial el producto de tope se encuentra en las dos fases. 
- Si existen varias alimentaciones y/o salidas laterales debemos indicarlas en esta página. En todos los 
casos debemos especificar el plato donde ingresa o egresa la corriente y, para las laterales, si se extrae 
de la fase líquida o vapor. 
 
Con el botón Next, pasamos a la página siguiente donde ingresaremos los valores de las presiones de salida 
de los productos de tope y fondo y la pérdida de carga del condensador. 
 
Aquí cabría preguntarnos por qué no debemos introducir, también, la pérdida de carga en el reboiler. Como 
veremos la forma más sencilla de definir el problema es considerar que en el equipo de intercambio del 
fondo, y también en el tope, bajo determinadas circunstancias, esa pérdida de carga es nula. 
En el reboiler, en todos los casos, la alimentación al mismo es un líquido y puede arbitrarse un mecanismo, 
bomba o columna líquida, que compense la pérdida de carga del equipo. De este modo, el producto de 
fondo, aún en el caso de una marmita, abandonará la columna a la presión del fondo de la misma. 
Entonces, podemos considerar una pérdida de carga nula en el conjunto mecanismo de impulsión-
intercambiador. 
En el caso del condensador no se puede recurrir a este arbitrio ya que la corriente que ingresa es vapor. 
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Si el condensador fuese total podríamos considerar 
el esquema de la figura 3a y, en tal caso, admitir que 
la pérdida de carga es nula, al compensarse con la 
impulsión en la bomba. En cambio, si el condensador 
es parcial como el de la figura 3b, no podremos 
considerar nula la pérdida de carga del equipo. La 
bomba será necesaria para impulsar la corriente de 
reflujo pero siempre el vapor que abandona el 
condensador lo hará a una presión inferior a la del 
tope de la columna. 
 
En resumen: sólo consideraremos una pérdida de carga no nula en el condensador cuando éste sea de 
tipo parcial y siempre será cero en el reboiler. 
 
Volvamos a nuestro caso. De acuerdo a los datos del Short Cut, la presión del producto en el tope será 650 
kPa con una pérdida de carga nula en el condensador, ya que es total, y una presión para el producto de 
fondo de 662 kPa. 
En la figura 4 podemos ver la página del IE correspondiente al ingreso de los valores de presión. 
 
 Figura 4: Página 2 del Sistema Experto 
 
En la página siguiente (figura 5) podemos ingresar las estimaciones de temperaturas para la etapa del tope 
y de los equipos de intercambio térmico. 
Figura 3a. Cond. total Figura 3b. Cond. parcial 
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 Figura 5: Página 3 del Sistema Experto 
 
Obviamente, esta página puede saltearse, ya que normalmente el cálculo no requiere de estos valores, 
aunque una buena estimación de los mismos facilita la convergencia. Introduzcamos como valores 
estimados 50 ºC en el condensador y 100 ºC en el reboiler, de acuerdo a los datos obtenidos en el Short 
Cut. 
 
 Figura 6: Página 4 del Sistema Experto 
 
Finalmente en la última página (figura 6) deberíamos ingresar, para agotar los grados de libertad, dos 
especificaciones: el flujo del destilado y la relación de reflujo. Hemos vistoque los grados de libertad son 
tres, pero el simulador ya agotó uno al indicarle que el condensador es total. (V=0). Obviaremos este ingreso 
porque los datos que disponemos son los factores de recuperación de los compuestos claves, información 
con la que, según indica la experiencia, se logra una mejor convergencia. 
 
Ya que no vamos a incorporar más datos, oprimamos el botón Done para abandonar el experto. En este 
momento, si no hubiésemos ajustado correctamente la presión de la alimentación, podría aparecer el aviso 
de que la misma está ingresando a una presión diferente a la del plato. Si se produjese, como, de todos 
modos, el simulador va a resolver el cálculo, aceptaríamos la advertencia y continuaríamos, para ajustar el 
valor a posteriori. 
Al hacerlo, el simulador nos ubica en la pantalla de la figura 7. En la opción Connections de la solapa Design 
podemos modificar toda la información ingresada en las dos primeras páginas del IE, con lo cual es posible 
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no usarlo, además de estar disponible el ingreso de otra información como el tipo de reboiler o su pérdida 
de carga, si fuera necesario. 
 
 Figura 7. Opción Connections de la solapa Design 
 
Tengamos en cuenta que, al abandonar el IE, el simulador supone que se han agotado los grados de libertad. 
Sin embargo, aunque estén activas las especificaciones del flujo de destilado y la relación de reflujo, 
incorporadas por defecto por el IE, nosotros no les hemos dado valor y, por consiguiente, el cálculo no se 
puede realizar y el simulador lo indica con un mensaje de no convergencia. 
 
Para lograr introducir las especificaciones sobre las recuperaciones de los productos claves, debemos 
ubicarnos en la opción Monitor o Specs de la solapa Design. Usaremos la primera de las alternativas, aunque 
es indistinto hacerlo con cualquiera de las dos. Al hacerlo, ingresamos a la pantalla de la figura 8. 
 
 
 Figura 8: Opción Monitor de la solapa Design 
 
Allí figuran dos especificaciones activas y dos variables estimadas, sin valor ninguna de ellas. Empecemos 
por desactivar las especificaciones. Luego, agreguemos, oprimiendo el botón Add Spec, la correpondiente 
al clave liviano en el tope. 
 
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De la lista de tipos de especificaciones 
que aparece, elijamos Column 
Component Recovery (Figura 9a) y 
oprimamos el botón Add Spec(s), tras lo 
cual aparece la pantalla de la figura 9b. 
Allí conviene cambiar el nombre por 
defecto de la especificación, para luego 
elegir si la misma corresponde al 
destilado (Ptope@COL1) o al fondo 
((Pfondo@COL1), ingresar el factor de 
recuperación y seleccionar el 
componente de la lista desplegable 
correspondiente. 
Al cerrar la ventana vemos que la 
especificación se activa 
automáticamente. 
Repitamos el procedimiento para 
agregar el factor de recuperación del i-
C5. 
 
Una vez que hayamos hecho esto, la columna quedará sin grados de libertad. 
Si el proceso de cálculo no comenzara automáticamente, debemos forzarlo oprimiendo el botón Run. 
Podemos ver que en pocas iteraciones se alcanza la convergencia de la columna. 
 
En algunas circunstancias, ante la presencia de algún error, puede suceder que el simulador detenga el 
cálculo. Si nos fijamos en la barra de herramientas veremos que el botón está activo. Una vez realizados 
los cambios que, a nuestro criterio, subsanan el error, debemos oprimir el botón para reanudar el 
proceso de cálculo. 
 
La opción Monitor de la solapa Design también nos permite conocer el paso utilizado en cada iteración y 
los valores de los errores en el cálculo del equilibrio líquido-vapor, los balances de energía y los valores de 
las variables especificadas. 
Si bien en distintas solapas podemos elegir representar los perfiles de presión, temperatura, caudales 
internos, etc. en la columna, donde existen mayores alternativas es en la solapa Performance. Allí, en la 
opción Column Profiles, podemos seleccionar la variable a representar en función de la posición en la 
columna, y volcarla en forma de tabla o gráfico. 
En la misma solapa, en la opción Summary, se muestran las recuperaciones de todos los compuestos en el 
destilado y en el producto de fondo. 
 
Resultados de Simulación 
- Ver como se reportan los resultados en la Guía de Uso del Unisim. 
- Presentar convenientemente los resultados obtenidos en un informe grupal. 
 
Bibliografía 
2013. Iglesias O.; Paniagua C. Conceptos básicos de simulación de procesos en simuladores modulares- 1a 
ed. - La Plata: Universidad Nacional de La Plata, 2013. 
Figura 9a. Agregado de 
la especificación 
 
Figura 9b. Definición de 
la especificación