Simulación de una columna de absorción (agua y dióxido de carbono) en DWSIM

Hola, ¿qué tal? Mi nombre es César Cotlamotufa y en este video

vamos a tratar sobre una simulación de la creación de agua carbonatada como base de nuestro proyecto para Ingeniería de Proyectos, que también es un complemento para la materia de Transferencia de Masa 2, dirigido por el ingeniero Ignacio Sánchez Bazán.

Entonces, el equipo está conformado por Correa García María Isabel, un servidor, García Juárez Diana Cristina, Hernández Carvajal Diana Gitzel, Hernández Mendoza Francisco, Morales Santos Valeria Sajaya, Oliva Aguirre Sebastián Fernando, Pacheco Mixteco Teresita de Jesús, Salazar de la Rosa Marlene y somos de la sección 603.

La simulación es parte de un complemento de este proyecto, en donde se plantea un modelo de negocio, se hacen todos los estudios necesarios para llegar a una conclusión, pero nada de esto será posible si no tenemos la parte técnica de que si nuestro producto resultaría sí o no y bajo qué condiciones las tendríamos que realizar para lograr obtenerlo.

Para ello, recurrimos a una simulación, la simulación se realizó en un programa Open Source, es de licencia libre, que se puede obtener desde la web, no pesa mucho, se llama DWSIM.

Entonces, en este programa vamos a vamos a estar trabajando, para empezar vamos a abrirlo.

Damos ahí un doble clic o un clic y un enter, abrimos el programa y nos da esta interfaz.

Aquí es donde vamos a empezar a iniciar nuestra simulación.

Primero, eh, vamos aquí en esta parte donde dice Process Modeling, le vamos a dar en crear nuevo.

Crear New y aquí vamos a empezar a dar eh, las primeras condiciones de nuestra simulación.

Tenemos aquí esta ventanita que se nos abre y nos dice Introducción, vale, esto no nos interesa, le damos en siguiente.

Y aquí están los componentes que nosotros vamos a agregar para nuestra simulación, en este caso nosotros solamente vamos a trabajar con agua y dióxido de carbono.

Entonces, aquí al inicio nos aparece dióxido de carbono, Carbon Dioxide, lo seleccionamos haciendo un clic en la casilla que está a la izquierda, ahí ya se agrega y agua.

Para no estar buscando entre todas las filas, podemos aquí en donde dice Search, buscar y escribir agua en inglés, Water, y ya nos apareció acá arriba.

Seleccionamos y como son nuestros únicos dos componentes, le damos en siguiente.

Si fuera otra simulación y queremos más, buscamos o escribimos el nombre, agregamos y una vez que esté completo, lo damos en siguiente.

En esta parte vamos a definir sobre qué modelo termodinámico vamos a trabajar.

Entonces, eso también depende de qué es lo que queremos simular, para este caso vamos a trabajar con el modelo de Peng-Robinson.

Hay varios, pero vamos vamos a utilizar este, que es Peng-Robinson PR, lo agregamos aquí, hacemos un clic aquí, ya se agregó y le damos en siguiente.

La siguiente parte que hay que configurar es el sistema de unidades.

Podemos elegir entre los que nos da o crear un sistema nosotros mismos aquí.

Yo voy a dejarlo en el sistema internacional, se me hace más cómodo trabajarlo así y le damos en finalizar.

Okay, esta parte es el Flowsheet, es en donde vamos a nosotros agregar nuestros componentes para iniciar nuestra simulación.

Tenemos varios componentes, streams, este, eh, de presión, las columnas, reactores, eh, los modelos, estos modelos son, eh, en base a procesos que nosotros queramos simular, que son muy importantes y vamos a utilizar uno más adelante, bloques lógicos, indicadores, controladores, etc.

Lo que vayamos a necesitar, en este caso vamos a necesitar de dos entradas y dos salidas, porque porque vamos a estar, eh, simulando la creación de agua carbonatada mediante una torre de absorción de dióxido de carbono y agua.

Y como resultado vamos a obtener agua carbonatada y como residuo, pues el remanente de dióxido de carbono, entonces van a ser dos entradas, dos salidas.

¿Cómo hacemos esto? Tenemos aquí la parte azul que dice Material Stream, arrastramos y soltamos.

Clic, arrastramos y soltamos.

Creamos dos porque van a ser dos entradas.

Ahora hay que configurar estas entradas.

¿Cómo las configuramos? Haciendo clic sobre cada una de ellas.

Vale, entonces, acá en la primera, damos clic y se nos abre esta otra ventanita.

Aquí dice Object y aquí es básicamente darle el nombre.

Vamos a ponerle aquí Agua, este, vale, para definirlo.

Ya le colocamos que es agua y al dar un enter, aquí ya ya nos cambió el nombre, ahora esto se llama agua.

Esta entrada para identificar que es agua.

Nos dice que va a estar trabajando con Peng-Robinson y ahora aquí vamos a configurar las condiciones.

Por ejemplo, la temperatura.

La teoría nos dice que un gas se disuelve en mayor cantidad a bajas temperaturas.

Entonces, vamos a ingresar agua fría, vamos a ingresarlo a 0 grados centígrados.

Entonces, serían en Kelvin 273.15 grados centígrados.

A presión atmosférica, con un flujo másico de 1 kg, y el molar y el volumétrico te los da en automático.

Si aquí quisiéramos modificar a 0.5, los demás parámetros se modifican en automático.

Vamos a dejarlo como uno, un flujo másico de 1 kg/s y en esta otra parte en donde están este Compound Amounts, nos está diciendo.

Y aquí básicamente vamos a configurar qué es lo que está entrando y en qué cantidad.

En esta parte está entrando solamente agua, no hay otra cosa más que solo agua.

Y lo está manejando a como aquí nos dice en fracción mol o en fracción molar.

Vale, entonces, como es agua pura, de dióxido de carbono no hay presencia, por lo cual le damos un cero.

Enter, y en agua es uno, porque es pues porque es agua pura, solamente está entrando agua, no hay ninguna otra cosa más.

Y le damos aquí en aceptar, importante para que guarde los cambios.

Aceptar y ya quedó configurada esta entrada para el agua.

Configuramos la siguiente, de la misma manera, lo este vamos a identificarlo como CO2.

Dióxido de carbono, enter, ya se cambió el nombre.

La temperatura, vamos a mandarlo a 293.15 Kelvin.

Vale, que sería equivalente a unos, eh, 20 grados centígrados.

Aquí nos nos arroja ahí la equivalencia.

Y nos dice que si es igual a 20 grados centígrados, vale.

La presión, vamos a manejarlo, eh, ya no a presión atmosférica o normal, que sería 101,325, vamos a manejarlo a dos atmósferas, que serían 202,650.

Borramos aquí, colocamos 202,650 y enter y guardamos, ¿no?

Entonces, esto, eh, al al colocarnos encima nos arroja una tablita con todas las equivalencias y vemos que arrojó que esto es igual a dos atmósferas.

El flujo másico lo vamos a dejar igual en 1 kg/s y ahora vamos a configurar en qué cantidad está entrando cada componente.

Aquí solamente está entrando dióxido de carbono puro, por lo cual, como solamente es dióxido de carbono, fracción molar uno.

Enter, y de agua no está entrando agua, por lo cual fracción molar cero y damos aceptar, importante para que guarde los cambios.

Aceptar y ya quedó.

Ahora, cuando cuando colocamos el cursor sobre cada uno de estos este componentes, pues ya nos da

la información como temperatura, presión, flujo molar, másico, etc.

Y vamos a agregar otros dos, pero estos ya no van a ser entradas, estos van a ser salidas.

En este momento no están definidos como entradas o salidas, esto se va a definir durante la simulación.

Okay, aquí la otra entrada, esta, esta, bueno, que no es entrada, es una salida.

Esta salida va a ser de nuestro producto final, lo que estamos buscando, que va a ser el agua carbonatada.

Y guardamos, de igual manera, no vamos a definir ninguna condición porque esto es de manera automática.

Ahora, aquí bien podríamos irnos a columnas y agregar una columna de absorción.

Pero esta nos generaría problemas porque habría que configurarlo de una manera diferente.

Entonces, vamos a hacer lo siguiente, nos vamos a esta parte que dice User Models.

Cliqueamos y aquí hay, eh, un elemento que se llama CAPE-OPEN Unit Operations.

Que básicamente esto lo agregamos, lo arrastramos hacia el centro.

Vamos a nombrarle como Remanente de CO2, porque porque es la parte de CO2 que no se va a absorber y, eh, va a salir en forma igual de gas.

Enter, guardamos y los demás parámetros no los configuramos, así los dejamos.

Porque porque estos parámetros se van a modificar en base a la simulación, o sea, van a ser de manera automática.

Aquí la otra entrada, esta, esta, bueno, que no es entrada, es una salida.

Esta salida va a ser de nuestro producto final, lo que estamos buscando, que va a ser el agua carbonatada.

Y guardamos, de igual manera, no vamos a definir ninguna condición porque esto es de manera automática.

Ahora, aquí bien podríamos irnos a columnas y agregar una columna de absorción.

Pero esta nos generaría problemas porque habría que configurarlo de una manera diferente.

Entonces, vamos a hacer lo siguiente, nos vamos a esta parte que dice User Models.

Cliqueamos y aquí hay, eh, un elemento que se llama CAPE-OPEN Unit Operations.

Que básicamente esto lo agregamos, lo arrastramos hacia el centro, analizamos los componentes que tenemos y nos va a dar sugerencias de qué operación queremos hacer.

Entonces, clic, arrastramos al centro, soltamos y empieza a escanear.

Y aquí nos dice, nos da estas dos opciones, de DWSIM Unit Operations o ChemSep Column Flash.

Seleccionamos esta parte de ChemSep, le damos OK y ya aquí apareció esta columna.

Vale, arrastramos aquí, damos un clic y se nos abre otra ventanita.

Esta es para configurar la columna, Object 5, le vamos a poner aquí Columna de Absorción.

Columna igual, Columna de Absorción, o igual le podemos poner cualquier otro nombre.

Y la operación, muy importante, por default viene destilación simple, pero no vamos a hacer destilación, vamos a hacer absorción.

Aquí dice Absorción Simple, seleccionamos, Stage lo dejamos en 20, unidades en sistema internacional.

Presión, aquí está normal, eh, atmosférica, 101,325.

Después lo vamos a modificar y aquí en CAPE-OPEN vamos a modificarlo para que sea en ChemSep y le damos OK.

Empieza a cargar y nos va a abrir una nueva ventana de ChemSep.

Aquí, ojito, es importante que cuando se instala este programa, si se quiere simular en esto,

al momento de instalar, hay que darle que instale todos los componentes.

Porque uno de los componentes es el ChemSep, si este componente no estuviera descargado,

lo que estaríamos haciendo no funcionaría porque no tendría este componente de acuerdo, se apoya para hacer la simulación.

Entonces, hay que tener esto también instalado, que viene junto con DWSIM.

Es como, eh, un extra que siempre, eh, es muy importante tenerlo porque se apoya mucho de ahí para realizar la simulación.

Okay, en esta ventanita, en esta ventanita, aquí, eh, son varias condiciones que nosotros vamos a ir modificando.

Y si vemos, nos vamos aquí a la parte de Feeds o la alimentación, no tenemos definido alimentación.

Vale, entonces, tenemos que regresarnos, vamos a cerrar esta pestaña, vamos a darle que no.

Vamos a regresar a nuestra DWSIM y aquí en esta parte ya nos dijo Feed 1, eh, perdón, Feed 2 y Feed 1.

Eh, en Inlet, en las entradas, entonces, vamos a definirlas.

Qué es lo que está entrando y qué es lo que queremos que salga.

En el Feed 1 va a entrar un líquido, vale, entonces, en este caso va a entrar el agua.

Y en el Feed 2, pues va a estar entrando el, eh, dióxido de carbono.

Vale, y ya.

Ahora nos vamos a la parte de salidas, a la parte de salidas.

Y dice Top Product, ¿qué es lo que queremos que salga por la parte de arriba?

Pues queremos que salga el gas, el remanente, lo que no se logró absorber.

Entonces, aquí vamos a ponerle el remanente de CO2, que vendría siendo esta parte de acá.

Y la parte de abajo queremos que salga nuestro producto, que sería agua carbonatada.

Entonces, aquí, damos clic, esperamos a que cargue para que nos arroje las opciones.

Agua carbonatada, listo, enter.

Y esperamos a que procese estos enlaces, estas entradas y estas salidas.

Y vemos que aquí ya se puso en azul, que quiere decir esto, que el sistema ya detectó que las entradas y las salidas están conectadas de manera correcta, que no hay error.

Ahora, podríamos irnos directamente aquí a simular, pero nos va a dar errores.

Porque no tenemos configurado de manera correcta la columna de absorción.

Para eso tenemos que irnos aquí a CAPE, perdón, a Open CAPE-OPEN Object Editor.

Y un clic, nos va a abrir otra vez una ventana de ChemSep.

Aquí en donde dice Título, es lo que le dimos, Columna de Absorción.

La operación, que va a ser una absorción simple, las propiedades.

Es muy importante definir bajo qué propiedades vamos a trabajar.

La K-Value, vamos a dejarlo en DECHEMA, vale, porque para este proceso se ajusta muy bien este modelo.

Eh, eh, esta parte de Activity Coefficient lo vamos a dejar como solución ideal.

La presión de vapor, esta la vamos a manejar con Antoine y la entalpía lo vamos a manejar también como ideal.

Vale, bajo estas condiciones termodinámicas son las que se va a simular el proceso.

La parte aquí de propiedades físicas y reacciones se deja en automático.

Las entradas, las entradas ya las definimos anteriormente.

En la parte uno, solamente existe agua, por lo cual dióxido de carbono tenemos cero.

En la parte dos, que es dióxido de carbono y para la parte de agua es cero.

Entonces, las entradas ya están este configuradas de manera correcta.

Las especificaciones las dejamos así, nos vamos ahora a los resultados.

Estos resultados, eh, no son los correctos porque habría que simular.

Y le damos aquí, nos vamos a esta parte de arriba en donde está un triangulito verde para simular.

Nos dice aquí que si queremos, eh, usar resultados anteriores, le decimos que no.

Y aquí nos manda a esta parte que sería las opciones de solución.

Y se va a inicializar en automático, vale, no vamos, así lo vamos a dejar que sea en automático.

Ahora sí le damos en este triangulito verde para que inicie la simulación.

Input is OK, le damos que sí, eh, aquí le damos que sí también.

Y ya nos empieza a generar aquí, eh, la simulación, aquí dice corriendo simulación.

Ya terminó, le damos aquí en Done y ahora cerramos esto.

Porque bien podríamos interpretar esto, pero vamos a interpretarlo desde DWSIM.

Cerramos esto, ahora sí, en este punto ya podríamos nosotros ver cómo es que corre nuestra simulación.

Aquí en la parte de arriba dice Solve Flowsheet o Solve Flowsheet o simplemente clic ahí o F5.

Vamos a darle un clic ahí y va a empezar a correr la simulación.

Esperamos y ya quedó.

Ahora vamos a ver la parte de agua carbonatada, que es la que nos interesa.

Vamos a ver cómo nos la está dando.

Si vemos aquí, nos colocamos sobre agua carbonatada y nos da un cuadrito acá arriba que dice Overall.

Vale, en donde nos está manejando en fracción molar, en donde la fracción molar de dióxido de carbono es de 0.0186 y la del agua es 0.98.

Que sí hay dióxido de carbono, sí, que es lo que queremos, no.

Porque nosotros, eh, y esto no es arbitrario ni está estandarizado.

Para este caso en especial, en específico de agua carbonatada, el nivel de carbonatación va a depender de lo que se quiera hacer o para qué se quiera utilizar.

Nosotros se definió por ser una bebida comercial, manejarlo, eh, tres cuartas partes de agua por una cuarta parte de dióxido de carbono.

Entonces, hay que encontrar las condiciones para que, eh, al final nuestra agua carbonatada salga con tres cuartas partes de agua y una cuarta parte de dióxido de carbono.

Revisamos para eso nuestras entradas.

La entrada del agua habíamos definido de una temperatura de 298.

Vale, que sería temperatura ambiente, pero no.

Vamos a darle más frío, vamos a darle a 273.15, o sea, a 0 grados.

Porque porque los gases se disuelven mejor en los líquidos a bajas temperaturas y altas presiones.

Entonces, vamos a manejarlo aquí el agua a presión normal, pero ahora a 0 grados centígrados.

Revisamos la parte de dióxido de carbono y lo manejamos esta a 293, que es a 20 grados.

Y a dos este, a dos atmósferas o 202,650 de pascales de presión.

Aquí ya no le movemos, pero hay una parte importante que no se toma en cuenta, que sería la presión dentro de la columna de absorción.

Entonces, hay que cambiarla.

La literatura nos maneja que el dióxido de carbono se va a disolver mucho mejor a altas presiones.

Entonces, aquí vamos a modificar la presión interna.

Damos clic aquí para configurar, eh, nuestra columna.

Se nos va a abrir la ventana de ChemSep y nos vamos a en la parte de presión.

Vale, ¿cuál es la presión en la columna? Vamos a manejar que sea una presión constante.

Y aquí lo estaba manejando en 101,325 pascales, pero no lo vamos a manejar así.

Vamos a manejarlo a una mayor presión, vamos a manejarlo a 1,000,000 de pascales.

1, 2, 3, 1,000,000, vale, ahí está.

Solve Option, que sea en automático y corremos simulación.

Input is OK, que sí, que sí sobrescriba y ya se corrió la simulación.

Guardamos, cerramos esto y ahora vamos a correr la simulación en nuestra hoja, eh, en nuestro Flowsheet en DWSIM.

Le damos aquí en Solve Flowsheet, esperamos a que se, a que corra la simulación.

Y ya quedó.

Ahora vamos a ver cómo se comporta la salida.

Nos colocamos arriba y voilà, tenemos 0.75 fracción mol de agua por 0.2427 fracción mol de dióxido de carbono.

Que lo podemos redondear fácilmente a 0.25 fracción mol de dióxido de carbono.

Que es lo que nosotros estamos buscando.

¿A qué conclusión llegamos?

Que para que tengamos un agua carbonatada en estas proporciones,

debemos manejar el agua a bajas temperaturas, en este caso a 0 grados centígrados.

El dióxido de carbono a una temperatura normal, 20 grados centígrados.

Que ingresa a presión de dos atmósferas o bien pudo haber sido más.

Pero nosotros condicionamos de esta manera que sea de dos atmósferas.

Y el factor importante es las condiciones dentro de la columna.

Porque si bien con 1,000,000 teníamos una buena carbonatación,

nos podíamos dar cuenta que con 1,500,000 Newton metro cuadrado de presión, tenemos una mejor absorción del gas.

Llegando al resultado que queríamos llegar.

Pudimos observar, eh, cuáles son las condiciones necesarias.

Creo que con estas condiciones ahora podemos trasladarlo a un proceso físico real.

Y saber bajo qué condiciones nosotros debemos trabajar para obtener el resultado final.

De esta manera estaríamos, eh, previsualizando el resultado.

Ahorrándonos mucho tiempo de trabajo y principalmente costos de diseño y operación.

Y esto sería todo, esto sería todo por la parte de complemento de simulación.

Y no queda más.