258448 simulador de reactores quimicos basado en excel

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  • SIMULADOR DINMICO DE REACTORES DE TANQUE AGITADO

    SANTIAGO BUILES TORO

    [email protected]

    FEDERICO CALLE VALLEJO

    [email protected]

    UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

    ESCUELA DE INGENIERAS

    FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

    MEDELLN

    2007

  • SIMULADOR DINMICO DE REACTORES DE TANQUE AGITADO

    SANTIAGO BUILES TORO

    FEDERICO CALLE VALLEJO

    Trabajo de grado para optar al ttulo de Ingeniero Qumico

    Directores

    JORGE ALBERTO VELSQUEZ JARAMILLO

    Ingeniero Qumico. PhD

    CARLOS ANDRS HENAO URIBE

    Ingeniero Qumico. Especialista

    UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

    ESCUELA DE INGENIERAS

    FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

    MEDELLN

    2007

  • CONTENIDO

    pg.

    INTRODUCCIN 19

    1. MARCO TERICO Y ESTADO DEL ARTE 22

    1.1. ANTECEDENTES HISTRICOS 22

    1.1.1. Antecedentes de la modelacin en ingeniera qumica 22

    1.1.2. Antecedentes de la simulacin dinmica de procesos 23

    1.2. SIMULACIN DE PROCESOS QUMICOS 25

    1.2.1. Simulacin dinmica 26

    1.2.2. Simuladores de procesos qumicos 29

    1.2.3. Simulacin dinmica y estacionaria de reactores tipo tanque agitado 31

  • pg.

    2. ECUACIONES DE ESTADO Y MODELOS DE ACTIVIDAD PARA EL

    CLCULO DE PROPIEDADES TERMODINMICAS 36

    2.1. CONTEXTUALIZACIN 36

    2.2. ECUACIONES CBICAS DE ESTADO 37

    2.2.1. Ventajas de las ecuaciones cbicas de estado 38

    2.2.2. Desventajas de las ecuaciones cbicas de estado 39

    2.2.3. Desarrollo de las ecuaciones cbicas de estado 39

    2.3. MODELOS DE ACTIVIDAD 51

    2.3.1. Concepto de composicin local 52

    2.3.2. Ecuaciones de Wilson y Heil 54

  • pg.

    2.3.3. Ecuacin NRTL (1968) 55

    2.3.4. Ventajas comparativas 58

    2.4. MODELO TERMODINMICO PARA UN SIMULADOR DE

    REACTORES DE TANQUE AGITADO 59

    2.4.1. Ecuacin de estado de Patel y Teja (PT, 1982) 60

    2.4.2. Regla de mezclado de Wong y Sandler (WS, 1992) 64

    2.4.3. Extensin de la regla de mezclado de Wong-Sandler a la ecuacin

    de estado Patel-Teja 67

    2.4.4. Modelo de Bure para las capacidades calorficas molares de los

    Gases 69

  • pg.

    3. MTODOS NUMRICOS PARA RESOLVER SISTEMAS DE

    ECUACIONES DIFERENCIALES 78

    3.1. CONTEXTUALIZACIN 78

    3.2. MTODO DE EULER 80

    3.3. MTODOS DE TAYLOR DE ORDEN SUPERIOR 81

    3.4. MTODOS DE RUNGE KUTTA 82

    3.5. MTODOS MULTIPASO 85

    3.5.1. Mtodo predictor-corrector de Adams-Bashforth-Moulton 87

    3.5.2. Mtodo predictor-corrector de Milne-Simpson 88

    3.5.3. Mtodo predictor-corrector de Hamming 89

  • pg.

    3.6. TCNICAS ADAPTABLES 89

    3.7. ECUACIONES DIFERENCIALES RGIDAS 92

    3.8. SOLUCIN DE SISTEMAS DE ECUACIONES DIFERENCIALES

    EN UN SIMULADOR DE REACTORES DE TANQUE AGITADO 94

    4. MTODOS NUMRICOS PARA RESOLVER ECUACIONES DE

    UNA SOLA VARIABLE 98

    4.1. CONTEXTUALIZACIN 98

    4.2. MTODO DE LA BISECCIN 100

    4.3. MTODO DE NEWTON-RAPHSON 102

    4.4. MTODO DE LA SECANTE 103

  • pg.

    4.5. SOLUCIN DE ECUACIONES DE UNA SOLA VARIABLE EN UN

    SIMULADOR DE REACTORES DE TANQUE AGITADO 105

    4.5.1. Algoritmos de Brent y de Dekker 105

    5. MODELO GENERAL PARA LA SIMULACIN DE REACTORES DE

    TANQUE AGITADO 114

    5.1. DEFINICIONES PREVIAS 114

    5.1.1. Volumen de control 114

    5.1.2. Marco de referencia 115

    5.2. ECUACIONES DE LAS LEYES DE CONSERVACIN 116

    5.2.1. Balances de materia por componentes 116

    5.2.2. Balance de energa 117

  • pg.

    5.3. RELACIONES ADICIONALES 119

    5.4. ESTRUCTURA MATEMTICA DE LAS LEYES DE VELOCIDAD 122

    6. RETROMEZCLA: SIMULADOR DE REACTORES DE TANQUE

    AGITADO 126

    6.1. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA 126

    6.2. ALGORITMO DE SOLUCIN DESARROLLADO 128

    6.3. GUA PARA UTILIZAR EL SIMULADOR RETROMEZCLA 133

    6.3.1. Presentacin 134

    6.3.2. Sustancias 135

    6.3.3. Reacciones 139

  • pg.

    6.3.4. Especificaciones 144

    6.3.5. Condiciones iniciales 148

    6.3.6. Simulacin 149

    6.3.7. Requerimientos del sistema 157

    7. RESULTADOS Y DISCUSIN 158

    8. CONCLUSIONES 162

    9. RECOMENDACIONES 164

    BIBLIOGRAFA 166

  • LISTA DE FIGURAS

    pg.

    Figura 1. Tipos de celdas segn la teora de Scott. a) Centrada en

    la molcula 1. b) Centrada en la molcula 2. 53

    Figura 2. Volumen de control seleccionado para el reactor que ser

    Simulado 114

    Figura 3. Ubicacin del origen de coordenadas dentro del volumen de

    Control 115

    Figura 4. Presentacin del simulador Retromezcla 135

    Figura 5. Ventana de ayuda del simulador Retromezcla 135

    Figura 6. Seccin Sustancias del simulador Retromezcla 136

    Figura 7. Ventana Adicionar compuesto del simulador Retromezcla 137

    Figura 8. Ventana Coeficientes binarios del simulador Retromezcla 138

  • pg.

    Figura 9. Ventana Editar sustancia del simulador Retromezcla 139

    Figura 10. Seccin Reacciones del simulador Retromezcla 140

    Figura 11. Pestaa Reaccin de la ventana Agregar reaccin

    en el simulador Retromezcla 141

    Figura 12. Pestaa Numerador de la ventana Agregar reaccin en

    el simulador Retromezcla. a) Reaccin irreversible. b) Reaccin reversible 142

    Figura 13. Pestaa Denominador de la ventana Agregar reaccin en

    el simulador Retromezcla. a) Reaccin irreversible. b) Reaccin reversible 143

    Figura 14. Ventana Unidades de la seccin Especificaciones en

    el simulador Retromezcla 145

    Figura 15. Ventana Condiciones de operacin de la seccin

    Especificaciones en el simulador Retromezcla 146

    pg.

    Figura 16. Ventana Composiciones a la entrada de la seccin

    Especificaciones en el simulador Retromezcla 147

  • pg.

    Figura 17. Seccin Condiciones iniciales en el simulador Retromezcla 148

    Figura 18. Seccin Simulacin en el simulador Retromezcla 149

    Figura 19. Ventana final del simulador Retromezcla 151

    Figura 20. Ventana de espera del simulador Retromezcla 152

    Figura 21. Aviso de detencin del simulador Retromezcla 153

    Figura 22. Aviso de conclusin del simulador Retromezcla 154

    Figura 23. Aviso para el cambio de configuracin regional del simulador Retromezcla 157

  • LISTA DE GRFICOS

    pg.

    Grfico 1. Grficas creadas por Retromezcla en MS Excel.

    a) Composiciones vs. t. b) Temperatura vs. t. c) Volumen vs. t. 157

    Grfico 2. Datos reportados para la esterificacin del cido actico 160

    Grfico 3. Datos comparativos de la esterificacin del cido actico 161

  • LISTA DE TABLAS

    pg.

    Tabla 1. Valores recomendados para 12 56

    Tabla 2. Datos constantes a travs del proceso 129

    Tabla 3. Valores iniciales de la salida y del interior del reactor 129

    Tabla 4. Valores constantes calculados 130

    Tabla 5. Valores calculados de las variables 130

    Tabla 6. Sistema de ecuaciones diferenciales del volumen de control 131

    Tabla 7. Unidades disponibles en el simulador Retromezcla 146

    Tabla 8. Resultados en MS Excel del simulador Retromezcla. 155

    Tabla 9. Discrepancia entre los resultados comparados 160

  • RESUMEN

    Retromezcla es un simulador dinmico de reactores de tanque agitado que opera

    como complemento de MS Excel. Para su desarrollo se parte de la aceptacin

    de leyes y postulados cuya validez es reconocida por la comunidad cientfica.

    Posteriormente, se describe la evolucin histrica de la modelacin en ingeniera

    qumica, de las ecuaciones de estado y de los modelos de actividad, se exponen

    los principales mtodos numricos para resolver ecuaciones diferenciales y de una

    sola variable y se plantea un modelo general para simular reactores de tanque

    agitado. A partir de la informacin recopilada, se selecciona la ecuacin de estado

    de Patel-Teja con la regla de mezclado de Wong-Sandler como modelo

    termodinmico, la ecuacin de Bure para calcular las capacidades calorficas y

    los mtodos de Brent y de Runge-Kutta de cuarto orden para solucionar el sistema

    de ecuaciones algebraico-diferencial resultante del modelo planteado. Para

    solucionar dicho sistema se crea un algoritmo que contiene una modificacin del

    mtodo de Brent desarrollada por los autores de este trabajo de grado, que

    optimiza el tiempo de clculo. Finalmente, se elabora una gua para la utilizacin

    de Retromezcla y se comparan sus resultados con datos experimentales para

    verificar su nivel de aproximacin a la realidad.

  • 19

    INTRODUCCIN

    Las matemticas seguramente no hubieran nacido si se hubiera sabido de antemano que

    no hay en la naturaleza ni lnea exactamente recta, ni crculo verdadero, ni dimensin

    absoluta.

    Federico Nietzsche1.

    Resulta conveniente, antes de empezar el desarrollo del presente trabajo de

    grado, reflexionar un instante acerca de la actividad que se va a realizar, pero no

    cientficamente como se har en el resto del texto, sino de forma metacientfica, es

    decir, refirindose a la actividad en s, a su esencia, a su estructura y a su

    identidad epistemolgica y no a sus resultados.

    Como punto de partida de este trabajo de grado se tiene la aceptacin explcita de

    la validez de las leyes cientficas que sustentan el desarrollo matemtico del

    modelo propuesto. De esta manera, se acepta la absoluta veracidad de los

    principios de conservacin de la masa y de la energa y son acogidos como

    relaciones constantes y objetivas en la naturaleza. Asimismo, se aceptan los

    enunciados nomolgicos por medio de los cuales se expresan formalmente los

    anteriores principios, que son, a saber, la ley de conservacin de la masa o

    ecuacin de continuidad y la primera ley de la termodinmica o ecuacin de la

    energa. Es decir, se parte de la afirmacin de unos postulados bsicos no

    demostrables que poseen representaciones matemticas que son enteramente

    1

    NIETZSCHE, Federico. Humano, demasiado humano. Madrid: EDAF, 1984. p. 47

  • 20

    aplicables a nuestro caso particular de estudio, de tal forma que cualquier

    resultado en contra de estos postulados descarta, en primera instancia, la validez

    del mismo. En otras palabras, se ha admitido un sistema organizado de

    pensamiento y se reconoce de l la validez de sus principios regentes.

    El objeto de estudio de este trabajo de grado corresponde a los reactores de

    tanque agitado; ste ser modelado matemticamente con base en los balances

    de materia y energa y los resultados que satisfagan estos balances cuando sean

    fijados algunos parmetros constituirn la simulacin de dicho objeto de estudio.

    Cabe anotar que en estos balances el significado fctico o emprico que se les

    asigna a los objetos formales no es una propiedad intrnseca de los mismos. Es

    decir, cada trmino de un balance representa a un elemento real involucrado en el

    objeto estudiado, sin embargo, esta representacin es netamente formal y no

    existe un grado estricto de obligatoriedad entre el fenmeno y el trmino

    matemtico que se le asocia2. De ah que los modelos puedan tener

    simplificaciones y puedan ser vistos como idealizaciones de las situaciones que

    simbolizan. El carcter ideal del modelo le provee de dos grandes beneficios: su

    comprensin se facilita y el proceso de solucin de sus estructuras matemticas

    resulta ms simple. En ocasiones, como menciona H.C. Van Ness, si el modelo no

    tiene suposiciones que lo idealicen, su resolucin es imposible y no puede

    obtenerse de l ninguna prediccin, adems los resultados de la idealizacin

    constituyen en ciertos campos cientficos, como la termodinmica,

    comportamientos lmite que pueden ser empleados como estndares para evaluar

    el desempeo de los sistemas en consideracin3.

    2

    BUNGE, Mario. La ciencia, su mtodo y su filosofa. Buenos Aires: Siglo XX, 1972. p.11 3

    VAN NESS, H. C. Understanding thermodynamics. Nueva York: Dover, 1983. p.27

  • 21

    Por otra parte, es conveniente mencionar la dualidad que presenta este trabajo de

    grado en cuanto a su produccin cientfica. Por un lado, la elaboracin de un

    modelo matemtico a partir de las leyes de conservacin es un proceso deductivo

    que no recurre en ningn momento a la experimentacin (aunque claramente

    estas leyes proceden de observaciones experimentales o de la intuicin y no de

    conclusiones matemticas) y por tal razn es un procedimiento formal que tiene

    por objeto dejar enunciadas las relaciones entre los trminos que lo conforman.

    Por otro lado, tomando como base el contenido formal ya elaborado, la prediccin

    de una serie de datos y su comparacin con los obtenidos empleando otro

    desarrollo cuyos resultados ya estn probados y sean precisos al aproximarse al

    comportamiento real del objeto de estudio, es un proceso emprico, de manera

    que esta prueba, mediante la cual se verifica el rigor con que el modelo representa

    la realidad, es un mtodo fctico de validacin del modelo.

    Claramente se nota de las anteriores afirmaciones el hecho de que el presente

    trabajo de grado requiere para su comprobacin no solo de la coherencia de su

    modelo con un sistema de ideas aceptado previamente, sino tambin de la

    similitud de sus conclusiones con los fenmenos reales. He aqu de donde se

    desprenden las caractersticas de los siguientes captulos: la racionalidad y la

    posibilidad de verificacin de los conceptos. Ambas condiciones garantizan una

    aproximada correspondencia entre el objeto de estudio y la abstraccin que de l

    hace el modelo y en la medida en que aumente dicha similitud, mayor ser la

    utilidad del simulador desarrollado4.

    Finalmente, es necesario mencionar que toda simulacin es una accin

    contingente de un hecho real puesto que se desprende de la necesidad de

    asemejar la realidad artificialmente y, por tal razn, su principal objetivo consiste

    en ajustarse lo ms posible a ella.

    4

    BUNGE, Op. Cit., p. 13, 14

  • 22

    1. MARCO TERICO Y ESTADO DEL ARTE

    1.1. ANTECEDENTES HISTRICOS

    1.1.1. Antecedentes de la modelacin en ingeniera qumica. La modelacin de

    equipos y fenmenos ha sido de suma importancia en la ingeniera qumica an

    desde sus principios, aunque en algunos casos los modelos suelen ser

    complicados y por ello numerosos autores sostienen que en la ciencia es

    necesario apartarse de la complejidad del mundo real y en su lugar hay que

    colocar una situacin ms o menos idealizada que sea ms sencilla para el

    anlisis, despus de esto puede refinarse el modelo tanto como se quiera. De esta

    manera, la modelacin se constituye en una abstraccin del mundo que asume la

    certidumbre de algunas suposiciones y con base en ellas obtiene un resultado

    simplificado que representa en mayor o menor medida al objeto de estudio5, 6.

    La discusin inicial en cuanto a la modelacin surgi cuando se crearon varias

    propuestas para explicar un mismo fenmeno porque haba dos formas de

    estructurarlos: la rigurosa y la simple, que siempre estaban en oposicin debido a

    que el rigor supone modelos matemticos de complicada resolucin.

    5 LEVENSPIEL, Octave. Modeling in chemical engineering. En: Chemical Engineering Science. Vol. 57 (2002); p. 4691 6 LUYBEN, W. L. Process modeling, simulation, and control for chemical engineers. 2nd Ed. Singapur: McGraw-Hill. 1990,

    725 p.

  • 23

    Finalmente, se opt por acoger los modelos simples debido al gran avance

    generado por los trabajos de Prandtl en cuanto a la capa lmite hidrodinmica

    (1904), basados en suposiciones lineales que permitan una resolucin rpida sin

    emplear mtodos matemticos complejos. El trabajo de Prandtl permiti que, a

    travs de analogas, Lewis formulara sus trabajos de capa lmite trmica (1916) y

    que Whitman desarrollara el modelo de capa lmite de concentracin (1923).

    Todos los trabajos siguientes en la materia se basaron en estas teoras e

    introdujeron en la ingeniera qumica un mtodo comn de modelacin aceptado

    hasta este momento que consiste en emplear nmeros adimensionales,

    coeficientes de transferencia, constantes, tipos de flujo y correlaciones empricas

    que relacionan dichos trminos, lo cual ha permitido disear intercambiadores de

    calor, columnas de absorcin y torres empacadas, entre otros.

    En cuanto a los reactores continuos existen dos modelos ideales: el de flujo tapn,

    empleado para el diseo de reactores PFR (Plug Flow Reactor) y el de flujo

    mezclado, empleado para disear reactores CSTR (Continous Stirred Tank

    Reactor). La necesidad de saber a qu tipo de flujo se acomodaba un reactor real

    tena dos soluciones posibles: evaluar el campo de velocidades o construir una

    simple distribucin de tiempos de residencia mediante un pulso de un trazador. En

    la actualidad se emplea este ltimo mtodo con excelentes resultados. Por otra

    parte, para la modelacin de la cintica de las reacciones se emple inicialmente

    el mtodo LHHW (Langmuir, Hinshelwood, Hougen y Watson) que era

    extremadamente complicado an para reacciones elementales y que contaba con

    numerosos parmetros, por lo cual fue desarrollado el CRE (Chemical Reaction

    Engineering), mtodo aceptado actualmente, que es ms sencillo y general y solo

    precisa una constante cintica para las reacciones elementales7.

    1.1.2. Antecedentes de la simulacin dinmica de procesos. Los primeros

    estudios en simulacin dinmica se realizaron a mediados del siglo XX empleando 7 LEVENSPIEL, Op. Cit., p. 4691-4696

  • 24

    computadores anlogos; los procesos simulados en aquella poca iban desde

    destilacin por lotes y reactores qumicos hasta corrientes de alimentacin en

    intercambiadores de calor. La programacin y configuracin de los computadores

    anlogos eran labores que demandaban numerosas horas de trabajo y

    adicionalmente estos equipos demandaban un constante mantenimiento. Las

    limitaciones computacionales que presentaban los computadores anlogos redujo

    la cantidad de ecuaciones diferenciales que podan resolverse, por ejemplo para la

    simulacin de columnas de destilacin, que pueden poseer ms de 100

    ecuaciones diferenciales ordinarias, se requeran centros de cmputo de gran

    tamao, porque en estos equipos para lograr duplicar la capacidad de

    procesamiento es necesario duplicar su tamao, y por tanto el costo de la

    simulacin era desmedido; a pesar de esto la mayora de las empresas

    petroqumicas de la poca invirtieron grandes sumas de dinero en equipos y

    personal especializado para realizar simulaciones dinmicas de procesos, puesto

    que las ganancias debido a las mejoras en diseo y control justificaban los altos

    costos de la inversin8.

    A partir de 1965 con la llegada de los computadores digitales se eliminaron las

    limitantes debidas al tamao de los computadores, se simplific la programacin,

    se posibilit la simulacin de sistemas con miles de ecuaciones de todo tipo y se

    desarrollaron nuevos mtodos numricos capaces de resolver satisfactoriamente

    las ecuaciones algebraico-diferenciales planteadas en los modelos. A pesar de las

    notorias mejoras en varios aspectos, continu existiendo un gran limitante para

    realizar simulaciones de procesos: la velocidad de cmputo.

    Entre 1970 y 1990 comenzaron a surgir simuladores de procesos comerciales que

    podan describir el comportamiento de procesos qumicos en estado estacionario,

    y a finales del siglo XX la velocidad de procesamiento de los computadores y su

    amplia difusin en el mercado permiti el desarrollo de simuladores dinmicos

    comerciales que en la actualidad incluyen gran cantidad de las operaciones 8 LUYBEN, W. Plantwide dynamic simulators in chemical processing and control. Nueva York: Marcel Dekker, 2002. p. 3, 4

  • 25

    unitarias ms importantes en ingeniera qumica y el nmero de unidades que

    permiten simular dinmicamente se incrementa cada ao. La simulacin dinmica

    es, debido a todo lo anterior, un rea que se encuentra en un cambio continuo y

    rpido de forma que cada nueva versin de los programas de simulacin incluye

    adiciones y mejoras respecto a la edicin anterior.

    La facilidad de emular el comportamiento dinmico de un sistema gracias a las

    herramientas computacionales con las que se cuenta hoy en da permite que el

    enfoque tradicional en ingeniera qumica, en la cual se enfatiza especialmente en

    el estado estacionario, se ample al estado transitorio, abarcando la dinmica de

    los procesos, lo cual es ms conveniente puesto que a partir de este estado se

    obtiene el estacionario como un caso particular9,10,11.

    1.2. SIMULACIN DE PROCESOS QUMICOS

    La optimizacin y el control de sistemas de proceso comnmente requieren un

    modelo que describa apropiadamente el comportamiento del proceso. Para

    elaborar estos modelos se puede partir de las leyes fundamentales para hallar un

    sistema de ecuaciones que describa el comportamiento del sistema o emplear una

    aproximacin lineal del sistema que lo describa en las cercanas de los puntos

    normales de operacin. Los primeros pueden ser difciles de desarrollar si no se

    entiende a la perfeccin el proceso que se quiere modelar, adicionalmente el

    modelo resultante puede llegar a ser altamente complejo y puede tener varios 9 LUYBEN, Plantwide dynamic simulators in chemical processing and control, Op. Cit., p. 3, 4 10 DICCIONARIO ENCICLOPDICO Planeta. Barcelona: Planeta, 1984. p. 3554, 3555 11 INGHAM et al. Chemical engineering dynamics. 2nd Ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2000. 646p.

  • 26

    parmetros cuyo valor se desconoce. Los segundos, en cambio, pueden ser

    desarrollados fcilmente, aunque su descripcin del sistema puede ser insuficiente

    para los objetivos de diseo o de control buscados. Para corregir estas

    deficiencias se emplea el mtodo de modelacin local, que puede proporcionar un

    modelo simple del sistema y representar adecuadamente el complejo

    comportamiento del sistema real12.

    Para simular operaciones unitarias se utilizaron inicialmente modelos

    macroscpicos que solo relacionaban las condiciones de operacin del equipo, los

    cuales tenan la enorme dificultad de no brindar ninguna informacin de sus

    dimensiones fsicas, por lo cual sirven en la actualidad nicamente para el diseo

    conceptual. Los modelos de parmetro distribuido o de gradiente mltiple se

    basan en leyes de conservacin y emplean balances de materia y energa en

    volmenes de control diferenciales dentro del equipo. Los balances son

    ecuaciones diferenciales parciales que involucran las dimensiones fsicas de las

    unidades de proceso en forma de lmites de integracin y por ello este tipo de

    modelos se emplea para el diseo detallado de equipos. Un caso particular de los

    modelos de parmetro distribuido son los de gradiente mximo en los cuales solo

    hay una dimensin diferencial que corresponde a la direccin del flujo. Este tipo de

    modelos sirve para disear PFR, intercambiadores de calor de tubos concntricos

    y equipos para la transferencia de masa de contacto continuo, como las torres de

    pared hmeda13.

    1.2.1. Simulacin dinmica. La simulacin en estado estacionario ha sido til para

    el diseo y la evaluacin de equipos de proceso e incluso plantas completas y en

    ocasiones se extiende su aplicacin a condiciones de operacin que pueden estar

    cambiando en el tiempo, como en leyes de control de sistemas feedforward. Sin

    12 GATZKE E. P. y DOYLE F.J. III. Multiple model approach for CSTR control. 14th IFAC World Congress. Beijing: Vol. 7; p. 343-348 13 HENAO, C. A. y VELSQUEZ, J. A. Simulacin de procesos qumicos empleando MS Excel (III) Simulacin de reactores. En revisin

  • 27

    embargo esta extensin no es posible cuando se tratan procesos por lotes o

    semilotes porque la variacin temporal de las condiciones de operacin hace

    necesaria la simulacin dinmica. Este tipo de simulacin fue evadida durante

    largo tiempo porque era percibida como una herramienta difcil de emplear que

    requera de equipos de alta tecnologa para realizarla y resultaba difcil justificar

    econmicamente su utilizacin. Sin embargo, las nuevas generaciones de

    simuladores dinmicos para computadores personales han puesto en las manos

    de los ingenieros qumicos una herramienta fcil de configurar que es rpida y

    confiable, aunque en ocasiones sus licencias tienen un elevado costo.

    Una de las ventajas que posee la realizacin de una simulacin dinmica es que

    puede servir para implantar y evaluar estrategias de control de procesos. Por este

    motivo las primeras empresas en incorporar la simulacin dinmica como una

    herramienta cotidiana fueron las industrias de gas y petrleo, en las cuales

    controlar y mantener el proceso productivo dentro de pequeos rangos asegura un

    flujo continuo de producto deseado. Adems, su aplicacin se ha ido expandiendo

    a industrias farmacuticas e industrias donde se elaboran productos qumicos,

    donde normalmente se encuentran sistemas reactivos altamente exotrmicos en

    procesos por lotes, dado que en estos sistemas el comportamiento trmico tiene

    una fuerte influencia en la selectividad de la reaccin deseada y en la seguridad

    del proceso14.

    La modelacin dinmica de cualquier operacin unitaria que emplee fluidos por lo

    general genera el mismo tipo de ecuaciones: los balances de materia y energa,

    algunas relaciones adicionales del proceso, obtenidas a partir de relaciones

    termodinmicas, y unas restricciones dependiendo de la seguridad del proceso o

    de los requerimientos en las corrientes de producto, lo cual da como resultado un

    sistema de ecuaciones algebraico-diferenciales. Al integrar estas ecuaciones a un

    proceso completo la dimensin del sistema de ecuaciones se incrementa aunque

    14 FELIU, Josep A. et al. Match your process constraints using dynamic simulation. En: Chemical Engineering Progress. Vol. 99, No. 12 (Dic. 2003); p. 42-48

  • 28

    no el tipo de ecuaciones, debido a que todas ellas provienen de los mismos

    balances.

    La simulacin dinmica de procesos tiene su aplicacin principal en el anlisis del

    comportamiento de procesos transitorios. Aunque la mayora de procesos

    continuos en ingeniera qumica se disean para operar en estado estable, existen

    en la prctica distintos eventos que llevan a un proceso dado al estado transitorio

    pues es posible que ocurran alteraciones inesperadas que afecten las entradas del

    proceso o las condiciones de operacin. Es comn tambin que los cambios sean

    premeditados u obligatorios como el encendido o el apagado del equipo o de la

    planta. Para iniciar y detener de forma apropiada un proceso, mltiples entradas

    deben ser ajustadas en una secuencia adecuada y para entender la respuesta del

    proceso a estos cambios es necesario realizar una simulacin dinmica.

    La simulacin permite observar el comportamiento de equipos bajo condiciones

    que podran ser peligrosas o que se cree podran serlo, as permite reconocer la

    mejor forma de evitar o solucionar potenciales situaciones de riesgo, verificar

    rangos y condiciones de operacin de los que se dudaba (por provenir quizs de

    normas heursticas) y adems permite ajustar puntos de control ms cercanos a

    los lmites reales del proceso15.

    El acceso a las simulaciones se debe ampliar a otros profesionales aparte de los

    ingenieros qumicos, como ingenieros de mantenimiento, ingenieros mecnicos e

    ingenieros de control, de manera que estn capacitados para calibrar, ajustar

    puntos de control y observar las posibles fallas y mejoras o modificaciones al

    sistema de control del proceso.

    Con el avance de las herramientas computacionales los simuladores se han vuelto

    ms robustos y confiables y han permitido que el tiempo para probar un prototipo

    se realice ahora en corto tiempo. Adems de lo anterior, el esfuerzo y el costo 15

    KULIKOV, Viatcheslav et al. Modular dynamic simulation of integrated particulate process by means of tool integration. En: Chemical Engineering Science. Vol. 60, No. 7 (2005); p. 2069-2083

  • 29

    necesarios para probar e implementar nuevas ideas han dejado de ser un

    obstculo, puesto que es posible emplear los simuladores en etapas de diseo y

    escalado para establecer la viabilidad de algn sistema y, de ser posible,

    optimizarlo16.

    1.2.2. Simuladores de procesos qumicos. Los simuladores de procesos se han

    vuelto herramientas bsicas en los programas universitarios de ingeniera qumica

    a nivel mundial. Los proyectos de grado relacionados con diseo de plantas y

    equipos por lo general involucran la utilizacin de un simulador comercial o de un

    simulador acadmico, tales como: ASPENPLUS, ChemCAD, ChemShare,

    FLOWTRAN, HYSYS y ProII; adems los textos de diseo de procesos

    normalmente incluyen ejercicios preparados para ejecutarse en uno o varios

    simuladores en particular.

    En el pasado la simulacin de procesos era vista como una herramienta que deba

    ser enseada y puesta en prctica solo en los ltimos aos de universidad. En la

    actualidad se plantea la idea de que los simuladores deben convertirse en una

    ayuda pedaggica desde los primeros aos de la educacin profesional en

    ingeniera qumica, permitiendo que los estudiantes aprendan la teora no

    nicamente de forma inductiva, sino tambin de forma deductiva, al experimentar

    con el simulador. Por esta razn, mientras en los cursos de diseo de procesos se

    aprovechan verdaderamente las ventajas computacionales con que se cuenta hoy

    en da, utilizando simuladores de procesos, en la mayora de los cursos an se

    usan mtodos empleados hace ms de 60 aos basados en algoritmos y normas

    heursticas.

    16

    MANSY, M. M.; McMILLAN, G. K. y SOWELL III, M. S. Step into the virtual plant. En: Chemical Engineering Progress. Vol. 98, No. 2, (Feb. 2002); p. 56-61

  • 30

    Un estudio realizado en EE.UU. en 2001 entre profesores de ingeniera qumica e

    ingenieros qumicos concluy que una de las mejores formas de integrar la

    simulacin de procesos en el programa de estudios consiste en la incorporacin

    de minimdulos de software, que permitan analizar de forma independiente

    diferentes operaciones que no requieran una excesiva habilidad para manipularlos

    ni un extenso adiestramiento especial para utilizarlos17.

    En este punto se ve la necesidad de desarrollar una herramienta que pueda

    dividirse en pequeos mdulos de enseanza de un rea especfica y as mismo

    que constituya una parte de un simulador de procesos completo que opere bajo un

    programa de bajo costo. De acuerdo con Chemical Engineering Education existen

    numerosas empresas pequeas que usan macros de Excel desarrollados por sus

    empleados para resolver problemas que se pueden solucionar mediante el uso de

    simuladores comerciales, a los cuales no pueden acceder por los altos costos de

    las licencias de estos ltimos. Por otra parte, algunas universidades estn

    abandonando los cursos de programacin tradicionales en lenguajes de bajo nivel

    y se estn enfocando en la enseanza de herramientas como simuladores, hojas

    de clculo y programas para resolver ecuaciones, porque cada vez consideran

    menos importante saber programar y ms importante saber configurar y emplear

    los paquetes de software existentes.

    Lo primero con que se encuentra un nuevo usuario de un simulador de procesos

    es que la eleccin de un modelo termodinmico incorrecto producir resultados

    que no tendrn ningn valor como simulacin de un proceso real, sin importar la

    convergencia de la simulacin. Infortunadamente existen tantos modelos

    termodinmicos disponibles que es prcticamente imposible adiestrar al usuario

    promedio en un amplio manejo de cada uno de ellos, y como no se puede

    depender de ninguno de ellos como un mtodo general, vlido en cualquier

    situacin, existen algunos criterios de decisin acerca de cul es el modelo ms

    apropiado para el caso en cuestin.

    17 DAHM, K. D.; HESKET, R. P. y SAVELSKY M. J. Is process simulation used effectively in Che courses? En: Chemical Engineering Education. Vol. 36, No. 3 (Sum. 2002); p. 192-198

  • 31

    Entre los modelos disponibles en ingeniera qumica para simular reactores se

    encuentran el del CSTR que es un modelo algebraico estndar que ha estado en

    los paquetes de simulacin desde hace varios aos y el modelo del PFR que se

    ha empezado a incluir recientemente, el cual resulta de dividir el volumen del

    reactor en pequeos segmentos y el procedimiento consiste en encontrar una

    solucin secuencial para cada elemento del volumen. En este modelo no solo se

    incluyen los balances de energa, sino que tambin se calcula por defecto la cada

    de presin en el reactor18.

    Los usuarios de los simuladores de procesos buscan en ellos las siguientes

    caractersticas19:

    - Una interfaz que le permita comunicarse con el simulador

    - Un lenguaje de modelacin que represente al sistema en todos sus detalles

    - Un algoritmo que permita solucionar de forma satisfactoria los modelos que se

    planteen

    - La posibilidad de especificar la precisin deseada.

    - Otros factores que los usuarios tienen en cuenta al momento de decidirse por

    una herramienta de simulacin en particular son: interfaz interactiva y fcil de

    usar y la presencia de una base de datos con sustancias.

    1.2.3. Simulacin dinmica y estacionaria de reactores tipo tanque agitado. Es

    posible encontrar en la literatura una gran cantidad de simulaciones hechas con

    reactores tipo tanque agitado, aunque dichas simulaciones se centran nicamente

    en casos particulares seleccionados por los autores y pocas veces se reportan

    trabajos originales sobre simuladores que lleven a cabo cualquier simulacin en

    general20,21,22.

    18 Ibid, p.192-198 19 KULIKOV et al, Op. Cit., p. 2069-2083

  • 32

    Los simuladores se basan en la solucin de modelos para el transporte de masa y

    energa, aunque avances recientes incluyen distribuciones de tiempos de

    residencia para reactores continuos. Los sistemas de ecuaciones algebraicas y

    diferenciales ordinarias que surgen son resueltos mediante mtodos numricos;

    por ejemplo, el simulador ModelMaker de la empresa Cherwell Scientific Publising

    Ltd emplea un mtodo de Runge Kutta de paso variable como opcin

    predeterminada y la construccin del modelo se hace con diagramas de bloques

    en los cuales se diferencian los diversos tipos de variables y ecuaciones y las

    relaciones entre ellas, segn sean diferenciales o algebraicas. Este simulador

    separa, adems, las variables en condicionales e incondicionales, las ltimas se

    calculan en todo momento, mientras que las primeras aparecen o desaparecen del

    modelo a partir de cierto momento permitiendo que el reactor simulado pase de

    continuo a semicontinuo y de all a discontinuo.

    ste y otros simuladores son especialmente tiles para realizar anlisis de

    sensibilidad paramtrica, con los cuales se conocen los valores de las variables

    por debajo o por encima de los cuales resulta imposible garantizar la operacin

    estable del reactor23. Por ejemplo, el simulador SPEEDUP, creado por Perkins y

    Sargent en 1982, fue empleado por Rashid y Bogle para simular una reaccin de

    isomerizacin irreversible, de primer orden, exotrmica, en fase lquida. Ellos

    supusieron densidad y capacidades calorficas constantes, convirtieron la

    concentracin y la temperatura en variables adimensionales y alinearon el sistema

    resultante en cercanas de los puntos de control y mediante la variacin de

    20 DAZ DE LOS ROS, Manuel. Simulacin dinmica de reactores tipo tanque agitado. En: Ingeniera Qumica (Nov. 1998); p. 97-103 21 RASHID, M. y BOGLE, I.D.L. Dynamic operabiltiy analysis and simulation of a CSTR with exothermic reaction. En: Computers & Chemical Engineering. Vol. 13, No. 3 (1989); p. 327-329 22 KOWAR, Thomas R. y PAGONE, Franco M. REACTR: An industrial chemical reactor dynamic simulation computer program. En: Organic Process Research & Development. Vol. 5, No. 4 (2001); p. 393-407 23 DAZ DE LOS ROS, Op. Cit., p. 102

  • 33

    parmetros como la temperatura en el interior del reactor, el flujo de agua de

    enfriamiento, el flujo de alimentacin y el coeficiente de transferencia de calor,

    concluyeron que para efectos prcticos, si bien es cierto que entre mayor sea la

    temperatura, mayor es la conversin, es recomendable operar el reactor en

    condiciones inferiores a las ptimas con el fin de facilitar las labores de control,

    dado que las condiciones extremas dificultan el ajuste de las variables controladas

    a sus puntos normales de operacin por medio de las variables manipuladas24.

    Adems de la determinacin de lmites de seguridad, los simuladores tambin

    pueden brindar los valores ptimos de las variables de proceso dentro del reactor,

    en la alimentacin, la corriente de salida y en el sistema de enfriamiento que

    conllevan a la obtencin de un efecto deseado, el cual es, generalmente,

    maximizar la conversin de un reactivo o maximizar la selectividad de una

    reaccin25.

    Un trabajo importante en materia de simulacin de reactores tipo tanque agitado lo

    constituye el trabajo de Kowar y Pagone para la compaa Pharmacia Corporation,

    quienes crearon el simulador REACTR que simula un reactor cilndrico con un

    agitador y una chaqueta que puede emplearse para calentar o enfriar el sistema.

    Sus suposiciones bsicas consisten en asumir constantes las capacidades

    calorficas, la densidad, los calores de reaccin y el coeficiente global de

    transferencia de calor y despreciar la energa consumida por el agitador. El

    usuario debe especificar el dimetro del tanque para que el programa ajuste la

    altura segn el volumen obtenido de la simulacin. El reactor tiene equipado un

    condensador para recircular el solvente a una temperatura definida por el usuario

    y un tanque que contiene los reactivos y los dosifica al reactor de acuerdo con un

    flujo especificado. Segn los valores dados a las corrientes de materia y energa,

    el reactor puede operar en batch, semibatch o en continuo y ser adiabtico,

    isotrmico o no isotrmico. Una de las mayores limitaciones del simulador tiene 24 RASHID y BOGLE, Op. Cit., p. 327-329 25

    DAZ DE LOS ROS, Op. Cit., p. 102

  • 34

    que ver con la cintica de las reacciones, puesto que solo est permitido hacer

    simulaciones de reacciones irreversibles de isomerizacin de primer orden (una

    sola reaccin o varias reacciones consecutivas) o adiciones de segundo orden,

    nicamente con coeficientes unitarios, aunque es destacable el hecho de que el

    programa cuente con una opcin que permite determinar mltiples estados

    estacionarios y oscilaciones y otra opcin con la que es posible simular diluciones

    y realizar curvas de enfriamiento sin reaccin qumica. Para realizar la simulacin

    en REACTR se deben ingresar al menos 25 datos, divididos segn sean cinticos,

    de alimentacin o de retencin dentro del reactor, del sistema de enfriamiento, del

    condensador colocado a la salida del reactor o si son propiedades fsicas del

    solvente.

    Los autores reportan que el simulador no tiene tiempos de cmputo superiores a 1

    minuto y que debido a la divisin del intervalo de solucin en elementos

    diferenciales de tiempo, a medida que el tamao de dichos elementos se aproxima

    a cero, los resultados de la simulacin se aproximan a los obtenidos mediante la

    resolucin simultnea de las ecuaciones diferenciales de los balances. La

    validacin del programa desarrollado por estos autores se bas en la comparacin

    con 18 problemas extrados de la literatura, los cuales fueron resueltos con

    discrepancias inferiores a 2C en la temperatura y 0.15M en la concentracin.

    REACTR entrega un reporte de la simulacin y cuenta con la opcin de exportar

    los datos entregados a MS Excel en donde es posible graficarlos, lo cual es

    ventajoso porque este programa es de bajo costo, de fcil manejo y tiene una

    enorme difusin en el mercado, tanto as que en la literatura ya se cuenta con

    numerosos trabajos que han desarrollado complementos que resuelven sistemas

    de ecuaciones o calculan propiedades termodinmicas empleando esta hoja de

    clculo electrnica26,27.

    26 HENAO y VELSQUEZ, Simulacin de procesos qumicos empleando MS Excel (III) Simulacin de reactores, Op. Cit., En revisin 27 KOWAR y PAGONE, Op. Cit., p. 406

  • 35

    Para desarrollar una herramienta de simulacin de reactores bajo MS Excel es

    necesario incluir dentro del cdigo del programa modelos para el clculo de

    propiedades termodinmicas de soluciones multicomponentes, ecuaciones para

    calcular la cintica de la reaccin, la estequiometra de las reacciones, los

    balances de materia y energa en el reactor y un algoritmo de solucin para los

    sistemas de ecuaciones resultantes.

    En materia de simulacin en estado estacionario, cabe resaltar los trabajos de

    Henao y Velsquez empleando MS Excel. Su modelo basado en grados de

    libertad determin que para llegar a la especificacin completa de un CSTR con

    una chaqueta de enfriamiento es necesario especificar un total de variables igual a

    dos veces el nmero de componentes ms 9. Los datos de entrada recomendados

    fueron la corriente de alimentacin, la de entrada del fluido trmico, el volumen del

    reactor o la conversin, la cada de presin debido al flujo a travs del reactor o la

    presin a la salida y la cada de presin del fluido trmico o tambin la presin del

    fluido trmico a la salida, el rea de transferencia de calor y el coeficiente global

    de transferencia de calor (U); suponiendo estado estacionario, medio

    perfectamente mezclado y una sola fase en las corrientes y dentro del reactor

    El modelo termodinmico aplicado para el clculo de las propiedades fue la

    ecuacin de estado de Patel-Teja-Valderrama empleando reglas de mezcla de

    Panagiotopoulos-Reid, que se incorporan en MS Excel a travs del complemento

    PTVPR desarrollado por los mismos investigadores. Adems, para la solucin de

    las ecuaciones se recurri al complemento Homosolver, creado por los mismos

    autores, que utiliza la homotopa para la solucin de sistemas lineales o no

    lineales. Los resultados fueron comparados con el simulador comercial HYSYS,

    obtenindose enormes coincidencias en los perfiles de flujo de los componentes,

    con ligeras diferencias debido a que el PTVPR calcula las capacidades calorficas

    con el modelo de Bure y HYSYS lo hace con un modelo polinmico28.

    28 HENAO y VELSQUEZ, Simulacin de procesos qumicos empleando MS Excel (III) Simulacin de reactores, Op. Cit. En revisin

  • 36

    2. ECUACIONES DE ESTADO Y MODELOS DE ACTIVIDAD PARA EL CLCULO

    DE PROPIEDADES TERMODINMICAS

    2.1. CONTEXTUALIZACIN29,30

    El avance de la termodinmica estuvo ligado inicialmente al avance de los

    procesos industriales en los cuales ella se aplica. De esta manera, los primeros

    estudios se dedicaron al vapor de agua dada la amplia utilizacin del mismo

    durante la revolucin industrial del siglo XIX. Tiempo despus, sentadas ya las

    bases tericas de la termodinmica como nueva rama de la fsica, su avance se

    someti a la posibilidad de calcular las propiedades termodinmicas de las

    sustancias y los valores de algunas variables termodinmicas de estado como la

    temperatura y la presin. Se formularon enunciados como el postulado de estado

    o la regla de las fases de Gibbs con los cuales se pretendi determinar el nmero

    de datos necesarios para especificar completamente un sistema y poder as

    conocer la relacin existente entre la presin, el volumen y la temperatura

    (relacin PVT) a travs de las fases presentes en l. El conocimiento del estado

    termodinmico es, entonces, un punto fundamental de esta ciencia y por tal motivo

    29 VALDERRAMA, Jos O. The state of the cubic equations of state. En: Industrial & Engineering Chemistry Research. Vol. 42, No. 8 (2003); p.1603-1605 30 SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C. y ABBOTT, M. M. Introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica. Sexta edicin. Mxico: McGraw-Hill Interamericana, 2003. p. 1, 467, 468

  • 37

    se han realizado numerosos esfuerzos por desarrollar ecuaciones y modelos que

    describan con precisin las propiedades de las sustancias o de las mezclas.

    En la actualidad, el clculo de las propiedades termodinmicas y de los equilibrios

    de fase se ha orientado por dos grandes vas: las ecuaciones de estado y los

    modelos de actividad. Dentro de las ecuaciones de estado se destacan las

    ecuaciones viriales, las basadas en modelos moleculares y las ecuaciones de van

    der Waals (vdW), que pueden ser cbico-empricas o no cbicas (se entiende por

    ecuaciones de vdW aquellas cuyo factor de compresibilidad es la suma de las

    contribuciones atractivas ms las repulsivas: atrrep ZZZ += ). Las ecuaciones de

    estado son polinomios con parmetros que pueden resolverse para alguna

    variable termodinmica especfica.

    Por otra parte, los modelos de actividad se dividen en modelos estadsticos de

    ajuste, como las ecuaciones de Margules y van Laar o la expansin de

    Redlich/Kister, y en modelos de composicin local, como la ecuacin de Wilson,

    NRTL (NonRandom Two-Liquid), UNIQUAC (Universal Quasi-Chemical) y

    UNIFAC. Estos mtodos se basan en la energa de Gibbs en exceso y su relacin

    con el coeficiente de actividad de las sustancias presentes en fase lquida.

    2.2. ECUACIONES CBICAS DE ESTADO31

    La ecuacin de van der Waals (1873) es, quizs, la mayor contribucin al estudio

    del comportamiento PVT de las sustancias desde los trabajos de Boyle (1660)

    acerca de los gases ideales. Esta ecuacin ha sufrido numerosas modificaciones a

    31 VALDERRAMA, Op. Cit., p.1603-1605

  • 38

    fin de mejorar sus predicciones de propiedades volumtricas y termodinmicas,

    as como su aproximacin al equilibrio lquido-vapor. La ecuacin mencionada y

    cualquiera de sus modificaciones son casos particulares de una ecuacin cbica

    genrica que puede escribirse como se muestra en (2.1).

    )()( dvcdvva

    bvRTP

    ++

    = (2.1)

    Se sabe que a ,b , c y d son constantes funciones de la temperatura y de

    algunas propiedades fsicas de las sustancias como el factor acntrico ( ), el

    factor de compresibilidad crtico ( Zc ) y la temperatura de ebullicin normal ( BNT ),

    entre otros.

    A travs de los aos se ha propuesto un elevado nmero de teoras y ecuaciones,

    como las basadas en modelos moleculares (de gran complejidad), las empricas

    multiparmetros (ninguna de ellas es cbica, tienen entre 15 y 60 parmetros y

    comenzaron a desarrollarse en la dcada de 1970) y las basadas en la energa

    libre de Helmholtz (tiles para mezclas de fluidos), aunque las ecuaciones cbicas

    como (2.1) continan emplendose en predicciones de equilibrios de fases y en

    simulaciones.

    2.2.1. Ventajas de las ecuaciones cbicas de estado32. Dado que estas

    ecuaciones son de tercer grado en el volumen, los clculos son relativamente

    fciles, adems tienen un buen comportamiento en los lmites (es decir, si

    Pbv , ) y sus imprecisiones sobre los trminos de repulsin y atraccin se

    simplifican cuando se calculan las propiedades de los fluidos, en particular en el

    equilibrio lquido-vapor. Por otra parte, en numerosas aplicaciones pueden ser

    ajustadas para generar valores precisos de cualquier propiedad y, por ltimo, su

    extensin para el clculo de propiedades de mezclas es relativamente sencilla

    32 Ibid, p.1604

  • 39

    empleando reglas de mezclado, incluyendo las que se fundamentan en modelos

    de energa libre de Gibbs o en parmetros dependientes de la concentracin.

    2.2.2. Desventajas de las ecuaciones cbicas de estado33. Se sabe actualmente

    que los datos PVT tienden a seguir el comportamiento de un polinomio de cuarto

    orden y no uno cbico. Por otra parte, se ha comprobado mediante simulaciones

    moleculares que los trminos de atraccin y repulsin son imprecisos en algunos

    casos, adems de esto, la dependencia de la constante a en la ecuacin (2.1) con

    la temperatura an no es muy clara y es posible que b dependa de la densidad,

    razones por las cuales este tipo de ecuaciones no opera correctamente en todos

    los diferentes rangos de presin y temperatura. Por ltimo, el hecho de que las

    interacciones entre molculas distintas sean desconocidas hace que un gran

    nmero de reglas de mezclado sean empricas y requieran parmetros de

    interaccin y, por tal razn, las ecuaciones cbicas a las cuales se acoplan no

    pueden representar con precisin todas las propiedades para cualquier tipo de

    mezcla.

    2.2.3. Desarrollo de las ecuaciones cbicas de estado.

    - La ecuacin de van der Waals34 (vdW, 1873). La principal desventaja de los

    trabajos anteriores a los de van der Waals era que no consideraban las fuerzas

    intermoleculares ni el volumen ocupado por las molculas, tal como el modelo del

    gas ideal, aunque Bernoulli en el siglo XVIII ya lo haba propuesto. Los trabajos de

    Hirn y Dupre reemplazaron el volumen v por ( bv ) y llamaron a b el

    covolumen, aunque dichos trabajos no fueron muy difundidos. Sin embargo,

    cuando van der Waals escribi su clebre tesis doctoral La Continuidad de los

    Estados Lquido y Gaseoso, tuvo en cuenta tanto las fuerzas entre las molculas

    del fluido como su volumen y formul la ecuacin (2.2).

    33 Ibid, p.1604 34 Ibid, p.1605

  • 40

    ( ) ( )TRbvvaP +=

    + 12 (2.2)

    Van der Waals estableci que P era la presin externa ejercida sobre el sistema,

    v era el volumen molar del fluido, b era un mltiplo del volumen molar (parmetro

    de volumen), a era la atraccin especfica entre las molculas (parmetro de

    fuerza), T era la temperatura del sistema y era una constante relacionada con

    la energa cintica de las molculas. La ecuacin (2.2) puede convertirse a la que

    se conoce como ecuacin de estado de van der Waals, que se muestra a

    continuacin en (2.3).

    2va

    bvRTP

    = (2.3)

    Las constantes a y b se calcularon inicialmente con datos PVT aunque luego se

    relacionaron con las propiedades crticas de las sustancias ( a con Pc y b con Tc )

    mediante un proceso derivativo de la ecuacin (2.3) en la isoterma crtica y su

    condicin de continuidad en el punto crtico; a travs de este proceso se determina

    tambin un factor de compresibilidad crtico igual a 0.375 para todas las

    sustancias.

    Esta ecuacin es importante porque tiene en cuenta la existencia del punto crtico,

    descubierto antes por Andrews, y diferencia el comportamiento de los fluidos por

    encima y por debajo de l; adems, reconoce el equilibrio lquido-vapor por debajo

    del punto mencionado y predice la separacin de las fases por encima de l,

    fenmeno verificado despus por Krichevskii. Por otro lado, la diferenciacin entre

    fuerzas repulsivas, debidas al tamao molecular, y fuerzas cohesivas, causadas

    por la atraccin molecular, an es la base de algunas teoras que predicen

    propiedades de fluidos y de otras que realizan simulaciones con mecnica

  • 41

    estadstica. Van der Waals propuso adems que su ecuacin podra extenderse a

    mezclas empleando reglas de mezclado, con lo cual anticip el objeto de

    numerosos trabajos que se haran aos despus.

    Por su parte, Clausius consider que a bajas temperaturas las molculas no se

    mueven libremente sino en agregados con atracciones fuertes y que por tal motivo

    el parmetro a es una funcin de la temperatura y su variacin con el volumen

    debe ser diferente a la establecida por van der Waals, con lo cual el factor de

    compresibilidad crtico deja de ser constante y se da origen a la familia de

    ecuaciones de tres parmetros, como la ecuacin (2.4).

    2)()(cvTa

    bvRTP

    +

    = (2.4)

    - La propuesta de Redlich y Kwong35 (RK, 1949). Redlich y Kwong buscaban

    representaciones correctas a altas y bajas densidades nicamente para fases

    gaseosas y para lograrlo propusieron la ecuacin (2.5).

    )()(

    bvvTa

    bvRTP C

    +

    =

    (2.5)

    Los parmetros y constantes de la ecuacin (2.5) poseen las definiciones o

    valores mostrados entre (2.6) y (2.10).

    5.0/1)( TT = (2.6)

    CCaC PTRa /5.22= (2.7)

    42748.0= a (2.8)

    CCb PRTb /= (2.9)

    35 Ibid, p.1605, 1606

  • 42

    08664.0=b (2.10)

    Aunque la ecuacin RK no cuenta con bases tericas fuertes, ha probado ser

    suficientemente precisa para realizar clculos en numerosos sistemas gaseosos y

    se estima, adems, que cuenta con ms de 150 modificaciones distintas, las

    cuales introdujeron, en algunos casos, funciones de desviacin para ajustar datos

    de PVT de sustancias puras y, en otros casos, mejoraron la capacidad de la

    ecuacin para predecir equilibrios lquido-vapor.

    - Modificaciones de Soave a la ecuacin RK (SRK, 1972)36. Wilson consider en

    la ecuacin que desarroll, la variacin en el comportamiento de diferentes fluidos

    a las mismas temperaturas y presiones reducidas introduciendo el factor acntrico

    de Pitzer ( ) en el parmetro de atraccin. Soave aprovech esta idea y redefini

    a )(T como ),( RT , conservando la funcionalidad del volumen en la ecuacin

    RK, con lo cual dio origen a expresin de amplia difusin en la industria de los

    hidrocarburos que se emple desde el comienzo en simulacin computacional y

    en optimizacin de procesos. La ecuacin SRK, junto con las definiciones de sus

    parmetros se muestra a continuacin entre (2.11) y (2.15).

    )(),(

    bvvTa

    bvRTP RC

    +

    =

    (2.11)

    CCC PTRa /42747.022

    = (2.12)

    ( )[ ] 25.011),( RR TmT += (2.13) 2176.0574.1480.0 ++=m (2.14)

    CC PRTb /08664.0= (2.15)

    Esta ecuacin fue acogida en la industria de los hidrocarburos debido a su relativa

    simplicidad comparada con ecuaciones como BWRS (Starling y Powers, 1970), y 36 Ibid, p.1606

  • 43

    por su capacidad para generar tasas de equilibrio apropiadas para distintos

    equilibrios lquido-vapor. Sin embargo, las ecuaciones de SRK y RK presentan

    dificultades para generar valores adecuados en los clculos de la densidad en

    fase lquida; por tal motivo se cre la ecuacin de Peng y Robinson, la cual tiene

    en cuenta estas limitaciones y procura resolverlas.

    - Ecuacin de Peng y Robinson37,38 (PR, 1976). La ms conocida de las

    modificaciones hechas a la ecuacin SRK es la ecuacin de Peng y Robinson, la

    cual recalcula ),( RT y propone una nueva variacin del parmetro a con el

    volumen. La forma de la funcin adimensional ),( RT fue determinada

    empleando valores de Pvapor disponibles en la literatura y utilizando el mtodo de

    Newton para satisfacer la condicin de equilibrio Lv ff = con un criterio de

    convergencia de 4101 kPa. Los datos obtenidos se alinearon para determinar la

    correlacin de datos observada en (2.16) que modifica aquella en (2.14), aunque

    (2.13) permanece invariable.

    226992.054226.137464.0 +=m (2.16)

    La constante b presenta la equivalencia dada en (2.17), mientras que la ecuacin

    PR se muestra en (2.18) y la definicin de Ca en (2.19).

    CC PRTb /07780.0= (2.17)

    )()(),(bvbbvv

    Tabv

    RTP RC++

    =

    (2.18)

    CCC PTRa /45724.022

    = (2.19)

    37 Ibid, p.1604 38 PENG, D.Y. y ROBINSON, D. B. A new two-constant equation of state. En: Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. Vol. 15, No. 1 (1976); p. 59-64

  • 44

    Las ecuaciones SRK y PR son las ecuaciones de estado cbicas ms empleadas

    en reas de investigacin, simulacin y optimizacin en las que se requiera el

    clculo de propiedades termodinmicas o el equilibrio lquido-vapor,

    especialmente de sustancias no polares; aunque han sido utilizadas como simples

    estimaciones de propiedades volumtricas y presiones de vapor hasta

    herramientas para la descripcin de complejos sistemas multicomponentes.

    - Modificaciones de las ecuaciones SRK y PR39. Las modificaciones realizadas a

    estas ecuaciones se han realizado especficamente en 3 campos distintos:

    cambios en la estructura de )( RT , cambios en la dependencia de a con el

    volumen e introduccin de un tercer parmetro dependiente del tipo de sustancia.

    Los cambios en forma de )( RT se realizaron con el fin de mejorar las

    predicciones del equilibrio lquido-vapor y de la presin de vapor de fluidos

    polares. Se destacan la de Soave, la de Mathias y la de Almeida et al.

    Los cambios en la dependencia de a con el volumen estn ligados al concepto de

    volumen trasladado, concepto con el cual se mejoran las predicciones del volumen

    manteniendo constantes las dems predicciones realizando la sustitucin

    mostrada en (2.20).

    tvv +=* (2.20)

    El trmino t de la ecuacin (2.20) es un factor de correccin que depende de los

    componentes presentes en el sistema estudiado. Este mtodo de desplazamiento

    del volumen es recomendable para mezclas de hidrocarburos o para fluidos

    confinados en un depsito, aunque tambin ha sido aplicado satisfactoriamente en

    el clculo de densidades de mezclas binarias en los puntos de saturacin, en la

    modelacin de fases slidas y en los equilibrios de fase en los que intervienen

    componentes supercrticos. Las ecuaciones ms famosas de este grupo son

    39 VALDERRAMA, Op. Cit., p. 1606-1608

  • 45

    VTPR (Volume Translated Peng-Robinson, 1998) y PR-Lennard-Jones, aunque

    estas ecuaciones no son muy aplicadas comnmente.

    Por otra parte, las ecuaciones de estado de 3 parmetros mejoran la suposicin

    de las ecuaciones de estado de vdW, RK, SRK y PR, mediante la cual se asume

    constante el factor de compresibilidad crtico para todas las sustancias e

    introducen un nuevo parmetro propio de cada sustancia. Dentro de este grupo de

    ecuaciones se destaca la ecuacin de Patel y Teja (PT, 1982), la cual se aprecia

    en (2.21) y ser analizada ms adelante en la seccin 2.4.1.

    )()()(

    bvcbvvTa

    bvRTP C

    ++

    =

    (2.21)

    En la expresin (2.21), los trminos Ca , b y c son funciones de dos parmetros,

    C y F , que dependen de cada sustancia. Por su parte, Valderrama generaliz la ecuacin (2.21) empleando el factor acntrico y el factor de compresibilidad crtico

    dando lugar a la ecuacin PTV, que ha resultado de gran utilidad en el clculo del

    equilibrio lquido-vapor de mezclas, especialmente de aquellas confinadas en un

    reservorio con dixido de carbono.

    - Aplicacin a mezclas de sustancias40. La necesidad de expandir la aplicabilidad

    de las ecuaciones de estado a sistemas complejos como mezclas altamente

    polares y mezclas asociadas condujo a superar las reglas de mezclado

    convencionales de vdW (las cuales solo contenan un parmetro de interaccin en

    a ) mediante el desarrollo de reglas cuadrticas con mltiples parmetros de

    interaccin, la introduccin del concepto de composicin local, la conexin entre

    los mtodos basados en la energa libre de Gibbs en exceso y las ecuaciones de

    estado, as como el desarrollo de reglas no cuadrticas.

    Las reglas de mezclado clsicas del tipo vdW se muestran entre (2.22) y (2.24).

    40 Ibid, p.1608-1610

  • 46

    =i j

    ijji axxa (2.22)

    =i j

    ijji bxxb (2.23)

    =i j

    ijji cxxc (2.24)

    Para el trmino cruzado de (2.22) se emplea la media geomtrica, como se

    muestra continuacin en la ecuacin (2.25), aunque para los trminos cruzados de

    (2.23) y (2.24) se emplea la media aritmtica, como se observa en (2.26) y (2.27),

    respectivamente.

    ( )ijjiij kaaa = 1 (2.25) ( )( )ijjiij bbb += 12

    1 (2.26)

    ( )( )ijjiij ccc += 121 (2.27)

    Los trminos ijk , ij y ij son coeficientes de interaccin binarios que se obtienen a partir de los valores que tengan una desviacin mnima en su prediccin de la

    presin de burbuja cuando se realiza una regresin de datos de equilibrio lquido-

    vapor de las sustancias de la mezcla. La expresin para ija fue propuesta por

    Zudkevitch y Joffe (1970) en su modificacin de la ecuacin RK. Sin embargo, hay

    numerosos autores que han propuesto procedimientos alternos que emplean

    datos experimentales de los componentes puros. Por otra parte, existen casos en

    los que estas reglas de mezclado se simplifican, como en la ecuacin PR, en la

    cual el trmino b se calcula como una nica sumatoria de los ib de cada

    componente y no se emplea el parmetro c .

  • 47

    Las reglas de mezclado dependientes del volumen emplean el concepto de

    composicin local con relativo xito en sistemas altamente no ideales y pueden

    extenderse a mezclas ternarias. Este tipo de reglas fallan en sistemas binarios

    cuando ambas sustancias son polares, e.g. metanol-agua, acetona-agua, o

    cuando la mezcla se encuentra cerca de la regin crtica puesto que gran cantidad

    de estos modelos, como lo demostrara Sandler, no satisfacen algunas

    condiciones de frontera necesarias que son impuestas por la mecnica estadstica

    en cuanto a la dependencia del segundo coeficiente virial con la composicin.

    Por otra parte, dado que las reglas de mezclado cuadrticas son insuficientes para

    sistemas complejos, trabajos como el de Panagiotopoulos y Reid (1985)

    introdujeron un segundo parmetro de interaccin que relaciona a ijk con la

    concentracin y, por tal motivo, transforma la regla de mezclado en una forma no

    cuadrtica, como se aprecia en (2.28).

    ( )[ ]ijiijijjiij xkkkaaa += 1 (2.28)

    Este tipo de reglas de mezclado se ha aplicado con xito en sistemas con un

    componente supercrtico, aunque se ha comprobado que sufren del sndrome de

    Michelsen-Kistenmacher, el cual genera predicciones errneas de sistemas

    integrados por componentes similares, lo cual dificulta la modelacin de sistemas

    reales.

    - Ecuaciones de estado acopladas con modelos de energa libre de Gibbs en

    exceso41. Los primeros aportes en esta materia fueron realizados por Hurn y

    Vidal quienes desarrollaron una regla de mezclado que requiere el clculo de la

    energa libre en exceso de Gibbs. Este tipo de modelos han probado ser los ms

    adecuados para describir sistemas con componentes altamente asimtricos

    sometidos a altas o bajas presiones, cerca de la regin crtica o en equilibrio

    41 Ibid, p.1610, 1611

  • 48

    lquido-vapor, lquido-lquido o gas-slido. Dentro de este grupo de modelos se

    destaca la regla de Wong y Sandler (WS, 1992), la cual se expondr ms adelante

    en la seccin 2.4.2. Esta regla ha sido probada en numerosos sistemas y ha

    mostrado ser precisa cuando se combina con NRTL para mezclas de

    componentes no polar-elevadamente polar y cuando se combina con UNIQUAC

    para mezclas elevadamente polar - elevadamente polar42. Por su parte,

    Valderrama modific la regla WS introducindole un parmetro adicional en la

    constante de volumen del soluto y desarroll el modelo PTV-MRS que considera

    las contribuciones de la polaridad y los puentes de hidrgeno en el

    comportamiento de las molculas. Adicional a esto, Benmeki y Mansoori (1987)

    establecieron la condicin de que las reglas de mezcla deben ser nicamente para

    las constantes de las ecuaciones de estado y no para las variables

    termodinmicas de estado y acorde con tal idea y con la mecnica estadstica

    desarrollaron unas reglas que sirvieron para reformular la ecuacin PR con 3

    parmetros independientes de la temperatura, aunque sus contradictores

    argumentan que sus resultados no son tan precisos como para justificar la

    complejidad de las expresiones.

    - Aplicacin de las ecuaciones de estado en fluidos confinados43. Las ecuaciones

    de estado tienen una sobresaliente capacidad de correlacionar el equilibrio lquido-

    vapor y las propiedades volumtricas de fluidos complejos contenidos en

    depsitos. Para tal correlacin se recurre a 2 mtodos: el de los

    pseudocomponentes y el de la termodinmica continua. Las ecuaciones con mejor

    desempeo en este mbito son PTV y la modificacin de RK realizada por

    Zudkevitch y Joffe, adems de esto, PR y SRK mejoran su prediccin de

    densidades en fase lquida al trasladar el volumen. En general no es

    42 WONG, David Shan Hill y SANDLER, Stanley I. A theoretically correct mixing rule for cubic equations of state. En: AIChe Journal. Vol. 38, No. 5 (May. 1992); 674-677 43 VALDERRAMA, Op. Cit., p.1612

  • 49

    recomendable estimar el volumen de las fases con clculos de flash, si bien es

    adecuado calcular las concentraciones de las fases con ecuaciones de estado.

    - Mezclas con algn componente supercrtico44. Los mejores resultados en esta

    materia han sido obtenidos con las ecuaciones PR y SRK, no obstante, algunas

    investigaciones han sugerido la necesidad de incluir ms de un parmetro de

    interaccin, puesto que es comn que se reporten resultados de gran precisin en

    el clculo de la concentracin del solvente en fase gaseosa (con desviaciones

    menores al 1%) mientras que en el clculo de la concentracin del soluto se

    generan desviaciones de hasta un 200%. En cualquier caso, los resultados

    pueden optimizarse con modelos de energa libre de Gibbs y reglas de mezcla no

    cuadrticas con parmetros de interaccin en las constantes relacionadas con el

    volumen.

    - Ecuaciones de estado para soluciones polimricas45. Las ecuaciones de estado

    propuestas en esta rea pueden dividirse en 2 grupos: modelos de red y modelos

    continuos. Una ecuacin que ha sido empleada con relativo xito es la de Sako,

    Wu y Prausnitz (SWP, 1989), la cual requiere mnima informacin experimental, lo

    cual se constituye en una enorme ventaja puesto que algunos autores han

    concluido en sus respectivas investigaciones que a menos que se tenga disponible

    un gran nmero de datos de equilibrio lquido-vapor para correlacionarlos con

    precisin y determinar los parmetros de los modelos, resulta ms conveniente no

    emplear modelos multiparamtricos para mezclas moderadamente polares

    polmero-solvente, aunque es oportuno mencionar que en algunos casos se han

    conseguido resultados satisfactorios tanto para el clculo de la presin de burbuja

    de las mezclas como en la descripcin de su comportamiento volumtrico a altas

    presiones. Por otro lado, estudios adelantados en esta materia han puesto en

    evidencia la necesidad de desarrollar nuevas reglas de mezclado para los

    44 Ibid, p.1612, 1613 45 Ibid, p.1613, 1614

  • 50

    sistemas polmero-solvente (como la de Zhong y Mazuoka), dado que en

    ocasiones dichos sistemas requieren para su modelacin de hasta 3 reglas de

    mezclado que solo operan en casos particulares de relaciones entre el polmero y

    el solvente (como la asociacin o la solvatacin). Finalmente se ha evidenciado

    tambin en algunas investigaciones la necesidad de que los parmetros de las

    ecuaciones de estado para soluciones polimricas sean relacionados con

    magnitudes normalmente medidas en tales soluciones, de manera que las

    ecuaciones semiempricas utilizadas generen resultados de mayor precisin.

    - Programacin computacional de modelos termodinmicos46. El notable avance

    de los computadores en las ltimas dcadas del siglo XX y en los principios del

    siglo XXI, los ha convertido en una herramienta fundamental para los

    investigadores en materia de ecuaciones de estado y diseo de procesos debido a

    la gran velocidad con que pueden realizarse complicados clculos a partir de

    frmulas dadas. Es por ello que la tarea fundamental de los investigadores, una

    vez que han desarrollado un modelo, consiste en programarlo. En el mbito

    nacional, es importante resaltar el trabajo de Henao y Velsquez, quienes han

    desarrollado varios complementos en MS Excel para el clculo de propiedades

    termodinmicas. Uno de ellos, el complemento TermoPTVPR emplea la ecuacin

    de estado de Patel-Teja-Valderrama (PTV) con la regla de mezclado de

    Panagiotopoulos-Reid (P-R), para el clculo del factor de compresibilidad de

    mezclas o sustancias puras y a travs de l, calcular un elevado nmero de

    propiedades como coeficientes de fugacidad, entalpas y entropas de mezclas

    sustancias puras en estado lquido o gaseoso, as como puntos de burbuja y

    puntos de roco, entre otros. Los datos de entrada del complemento son las

    propiedades crticas de las sustancias, sus coeficientes de interaccin (hallados

    con el criterio de Pauvonic), sus factores acntricos, las composiciones y las

    constantes del modelo de Bure, empleado para determinar las capacidades

    calorficas de los componentes. Un ejemplo prctico mostr que el complemento

    46 HENAO, C. A. y VELSQUEZ, J. Simulacin de procesos qumicos empleando MS EXCEL: aplicacin de la EOS Patel-Teja-Valderrama. En revisin

  • 51

    resulta ser acertado cuando se le compara con el paquete Peng-Robinson de

    HYSYS, puesto que se obtuvo una discrepancia de 0.77% en el cambio de la

    entalpa y de 0.80% en el cambio de la entropa, los cuales son diferencias

    minsculas que fueron sustentadas con pruebas adicionales que arrojaron

    resultados similares.

    2.3. MODELOS DE ACTIVIDAD47,48

    La interpolacin y la extrapolacin de datos termodinmicos de mezclas lquidas

    son prcticas habituales en ingeniera qumica. El modelo de soluciones ideales es

    til como primera aproximacin y como referencia; sin embargo, las desviaciones

    de la idealidad son, frecuentemente, de gran magnitud y no permiten utilizar el

    modelo ideal con fines de diseo y control. Estas desviaciones se expresan a

    travs de funciones en exceso que dependen de las concentraciones y de la

    temperatura. Como mostr Wohl, estas funciones se expresan comnmente como

    expansiones algebraicas de las fracciones molares con coeficientes arbitrarios que

    se obtienen mediante el ajuste de datos experimentales. Tales expansiones

    poseen tantos trminos y parmetros como sea necesario para conseguir

    representaciones apropiadas de la realidad. En este grupo caben la expansin de

    Redlich/Kister y los modelos de Margules y van Laar, los cuales se aplican con

    xito en mezclas binarias aunque no pueden ser extendidos a sistemas

    multicomponentes.

    47 RENON, Henri y Prausnitz, J. M. Local compositions in thermodynamic excess functions for liquid mixtures. En: AIChe Journal. Vol. 14, No. 1 (1968); p. 135 48 SMITH, VAN NESS, ABBOTT, Op. Cit., p.467-469, 814

  • 52

    Por su parte, Wilson mostr que la energa de Gibbs en exceso Eg , poda ser

    convenientemente expresada mediante una funcin algebraica de la composicin

    local y desarroll la ecuacin que lleva su nombre, empleando fracciones

    volumtricas locales. Tiempo despus, Orye determin que la ecuacin de Wilson

    es til para representar los datos de equilibrio de una gran variedad de mezclas

    lquidas. Otros modelos que emplean las composiciones locales son NRTL,

    UNIQUAC (Universal Quasichemical) de Abrams y Prausnitz, la ecuacin de Heil

    que modifica la ecuacin de Wilson para representar el equilibrio en soluciones

    polimricas y UNIFAC, el cual calcula los coeficientes de actividad a partir de las

    contribuciones de los grupos funcionales que hacen parte de las molculas en

    solucin, suponiendo, como dicen Smith, Van Ness y Abbott, que: una mezcla

    lquida puede ser considerada como una solucin de las unidades estructurales de

    las que se forman las molculas, ms que una solucin de las molculas

    mismas49.

    2.3.1. Concepto de composicin local50,51. Una vecindad o proximidad es un

    arreglo de molculas de corto alcance en el que las orientaciones moleculares no

    son completamente aleatorias puesto que dependen de las diferencias entre el

    tamao de los compuestos y de las fuerzas intermoleculares entre ellos. La

    composicin local de una sustancia i corresponde a la composicin de dicha

    sustancia en alguno de los tipos de celdas que puede haber en la mezcla (esta

    composicin depende del nmero de coordinacin de la celda). La teora de

    lquidos de Scott asume que existen dos tipos de celdas en una mezcla binaria: la

    que contiene a la molcula 1 en su centro y la que contiene a la molcula 2 en

    dicho lugar, como se aprecia en la Figura 1.

    49 Ibid, p. 814 50 Ibid, p.467, 468 51 RENON y PRAUSNITZ, Op. Cit., p.135, 136

  • 53

    a) b)

    Figura 1. Tipos de celdas segn la teora de Scott. a) Centrada en la molcula 1. b) Centrada en la molcula 2. Fuente: RENON, Henri y Prausnitz, J. M. Local compositions in thermodynamic excess functions for liquid mixtures. En: AIChe Journal, Vol. 14, No. 1 (1968); p. 136

    En la Figura 1, las energas de interaccin entre las molculas estn denotadas

    por ijg . Teniendo en cuenta que ijx representa la fraccin molar local de la

    molcula i en la celda centrada en la molcula j , para un sistema binario debe

    cumplirse en cada celda lo indicado en las ecuaciones (2.29) y (2.30), segn est

    centrada en la molcula 1 en la 2.

    11121 =+ xx (2.29)

    12212 =+ xx (2.30)

    Para tomar en consideracin la no aleatoriedad en las mezclas lquidas, Wilson

    sugiri la relacin entre las fracciones molares locales y globales ( kx ) que se

    presenta a continuacin en (2.31).

  • 54

    RT

    RT

    g

    g

    ee

    xx

    xx

    /11

    /21

    1

    2

    11

    21

    = (2.31)

    2.3.2. Ecuaciones de Wilson y Heil52. Asumiendo la validez de la ecuacin (2.31)

    y mediante una analoga con la expresin de Flory-Huggins, Wilson dedujo la

    expresin para la energa de gibbs en exceso que se muestra en (2.32).

    ( ) ( )22221111 /ln/ln xxxxRTg E += (2.32)

    Las fracciones volumtricas locales ii se calculan en trminos de las fracciones

    volumtricas globales i , como se muestra en (2.33) y (2.34).

    ( ) RTggexxx

    /)1121(1211

    111 / +

    =

    (2.33)

    ( ) RTggexxx

    /)2212(2112

    222 / +

    =

    (2.34)

    Heil profundiz an ms en la analoga con la expresin de Flory-Huggins y

    dedujo las ecuaciones (2.35) a (2.37), tiles para clculos de sistemas con

    molculas pequeas.

    ( ) ( ) 1222212211112122221111 /ln/ln xRTggx

    RTggxxxx

    RTg E

    +

    ++= (2.35)

    1121 1 = (2.36)

    2212 1 = (2.37)

    52 Ibid, p.135

  • 55

    Las ecuaciones (2.32) y (2.35) son relaciones semiempricas que sirven para

    calcular propiedades en exceso. Ambas contienen nicamente 2 parmetros

    ajustables por cada par de molculas: 1121 gg y 2212 gg ; adems, ambas

    pueden generalizarse fcilmente a soluciones que contengan cualquier nmero de

    componentes. Por ltimo, ambas tienen 2 pasos arbitrarios en su deduccin: la

    relacin entre las fracciones molares locales (ecuacin (2.31)) y la introduccin del

    modelo de composiciones locales en la ecuacin de Flory-Huggins.

    2.3.3. Ecuacin NRTL53 (1968). La ecuacin NRTL es de especial inters para el

    presente trabajo de grado puesto que con ella se calcular la energa libre de

    Gibbs que requiere para su funcionamiento la regla de mezclado de Wong-

    Sandler, como se ver en la seccin 2.4.2. Este modelo, creado por Renon y

    Prausnitz, parte de una suposicin similar a la de la teora cuasiqumica de

    Guggenheim para definir la composicin local, emplea la teora de lquidos de

    Scott de mezclas binarias para desarrollar una expresin para la energa de Gibbs

    en exceso y asume la validez de la ecuacin (2.38), la cual es una modificacin de

    la (2.31).

    RT

    RT

    g

    g

    ee

    xx

    xx

    /1112

    /2112

    1

    2

    11

    21

    =

    (2.31)

    La constante 12 (equivalente a 21 ), es una constante adimensional caracterstica

    de la no aleatoriedad de la mezcla. Siempre es positiva y se selecciona de

    acuerdo con las caractersticas qumicas de los componentes de la mezcla. Dicha

    constante se ve afectada por interacciones tales como la asociacin, la

    miscibilidad y la polaridad de las sustancias. Normalmente debera asumir valores

    entre 0.1 y 0.3 de acuerdo con la analoga establecida con la teora cuasiqumica

    de Guggenheim, aunque en la prctica pueden asignrsele valores superiores a

    esta ltima cantidad.

    53 Ibid, p.135- 143

  • 56

    Renon y Prausnitz recomiendan los valores que se listan en la Tabla 1 para esta

    constante, de acuerdo con el tipo de mezcla, aunque aclaran que, para valores

    superiores a 0.3, el significado fsico del parmetro 12 es incierto, puesto que se

    aleja del rango establecido mediante la analoga cuasiqumica de Guggenheim,

    como se mencion antes. La Tabla 1 se muestra a continuacin.

    Tabla 1. Valores recomendados para 12 .

    TIPO DE MEZCLA 12 no polar + no polar 0.3 no polar + polar no asociado 0.3 polar + polar (gE < 0 o gE 0) 0.3 hidrocarburo saturado + polar no asociado 0.2 hidrocarburo saturado + perfluorocarbonado (igual nmero de carbonos) 0.4 no polar + sustancia altamente asociada 0.40-0.55 polar + CCl4 0.47 agua + polar asociado 0.47 agua + polar no asociado 0.3 sustancias inmiscibles 0.2

    La ecuacin NRTL es, en realidad, un conjunto de 3 ecuaciones, como se muestra

    en seguida entre (2.32) y (2.34).

    ( ) ( )22121221121211 ggxxggxxg E += (2.32)

    RT

    RT

    gg

    gg

    exxexx /)1121(1221

    /)1121(122

    21

    +

    =

    (2.33)

    RT

    RT

    gg

    gg

    exxexx /)2212(1212

    /)2212(121

    12

    +

    =

    (2.34)

    A partir de la derivacin de la ecuacin (2.32) pueden obtenerse las expresiones

    (2.35) y (2.36), mediante las cuales es posible calcular los coeficientes de

    actividad de las sustancias presentes en la mezcla.

  • 57

    ( ) ( ) ( )

    ++

    +=

    2121212

    1212

    122211221

    21122

    21221ln

    exxe

    exxex (2.35)

    ( ) ( ) ( )

    ++

    +=

    2211221

    2112

    212121212

    12122

    12212ln

    exxe

    exxex (2.36)

    Los parmetros ij estn definidos como se aprecia en (2.37) y (2.38).

    RTa /1212 = (2.37)

    RTa /2121 = (2.38)

    A su vez, los parmetros ija presentan las equivalencias observadas en (2.39) y

    (2.40).

    ( )221212 gga = (2.39) ( )112121 gga = (2.40)

    Se deduce de lo anterior que el modelo de actividad NRTL posee 2 parmetros

    ajustables ( 12a y 21a ), aunque contiene tambin una tercera constante ( 12 ) que

    depende de la naturaleza de los componentes.

    Si se contina aceptando como cierta la hiptesis de que las interacciones entre 2

    molculas generan los mayores aportes a las propiedades en exceso, la ecuacin

    NRTL puede generalizarse a sistemas multicomponentes, obtenindose las

    ecuaciones (2.41) a (2.43).

    RTkiik

    RTjiij

    k

    j

    ki

    jig

    g

    e

    exx

    xx

    =

    (2.41)

  • 58

    =

    =

    =

    =

    NC

    iNC

    kkiik

    k

    NC

    jjiij

    jiji

    E

    ex

    exx

    RTg

    11

    1

    (2.42)

    ( )

    =

    =

    =

    =

    =

    =

    +

    =

    NC

    jNC

    kkjjk

    k

    NC

    iijij

    ijiijNC

    kkjjk

    k

    ijijj

    NC

    kkiik

    k

    NC

    jjiij

    jiji

    ex

    ex

    ex

    ex

    ex

    ex

    11

    1

    11

    1ln

    (2.43)

    Las pruebas realizadas por Renon y Prausnitz en mezclas binarias revelaron que,

    en sistemas simtricos ( == 1221 ), la energa de Gibbs en exceso disminuye

    conforme 12 crece, lo cual se debe a la reduccin del nmero de interacciones

    entre las molculas 1 y las 2, caus