alquitran de hulla

5/13/2018 alquitran de hulla - slidepdf.com

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DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

MULTICOMPONENTE PARA ALQUITRÁN DE HULLA

Pedroza Randy Jose1, Mogollon Raul Enrique2, Monsalve Jose 3

Miguel Ángel Mueses4

Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, Cartagena D.T. y C., Bolívar, Colombia.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Resumen

En este trabajo se presentan los cálculos en el diseño de una columna de destilación que recupera

el benceno al 95% de una mezcla de alquitrán de hulla, mediante el método de la destilación

simple o fraccionada. Al tratarse esta mezcla de una mezcla multicomponentes se aplico el

algoritmo empírico FUG (Fenske, Underwood, Gilliland), y como resultado se obtuvieron

distribuciones de composición, carga térmica y de constantes de equilibrio en la alimentación,

destilado y residuo. Con todos estos resultados se analizo la selección de materiales y equipos

para el montaje de la torre. En pocas palabras el algoritmo FUG empleado para la separación de

los componentes se realizó con fines al diseño premilitar, estudios paramétricos para establecer

las condiciones óptimas de diseño, así como para estudios de síntesis del proceso para determinar

las secuencias óptimas de separación.

Palabras claves. Columna de destilación, bencene, multicomponentes, separación, diseño.

Abstract.

In this paper we present the calculations in the design of a distillation column that recovers the

bencene to 93% of a mixture of coal tar by the method of simple or fractional distillation. Since

this mixture of a multicomponent mixture empirical algorithm was applied FUG (Fenske,

Underwood, Gilliland) and being obtained distributions of composition, heat load and equilibrium

constants in the feed, distillate and residue. With all these results, analyze the selection of

materials and equipment for the assembly of the tower. In short the FUG algorithm used for

separation of the components was carried out with the design pre-military purposes, parametric

studies to establish the optimum design, as well as process synthesis studies to determine optimal

sequences of separation.

Keywords. Distillation column, benceno, multicomponent, separation, design.



1. INTRODUCCIÓN.

En muchas operaciones industriales han de separarse mezclas multicomponentes y se requieren

extensos cálculos para determinar la distribución de los componentes en los productos y el diseño

de la torre. La destilación se utiliza muchos más que los otros métodos para la separación de

mezclas liquidas compleja, sin embargo los fundamentos pueden aplicarse a otras separaciones

tales como absorción o extracción multicomponente. Al igual que la destilación de mezclas

binarias en etapas de equilibrio, los cálculos de destilación de sistemas multicomponentes utilizan

los mismo principios básicos como balances de materia y entalpicos, y equilibrios liquido-vapor

para calcular puntos de ebullición y roció, y los conceptos de reflujo mínimo y total como casos

limitantes.

La mezcla propuesta para la destilación es alquitrán de hulla , la cual cuenta con alrededor de 260

componentes diferentes, de los cuales se pueden aprovechar unos 60 con fines comerciales, como

no es posible diseñar una torre de destilación para separar todos estos componentes, dado a lo

complejo que resultaría dicho proceso; el diseño de la torre la destilación para alquitrán de hulla

se enfocara en la separación de los 5 componentes principales : Benceno, Tolueno, Etilbenceno,

Naftaleno, m-cresol.

El alquitrán de hulla es un líquido natural de color negro o marrón que se deriva de la

descomposición de la hulla y la combinación de varios compuestos orgánicos; su destilación

requiere grandes equipos con altos consumos energéticos que involucran costos de instalación y

de operación considerables, por lo que el diseño de la misma exige estudios rigurosos de

optimización. Al diseñar la torre de destilación tenemos que tener en cuenta que un único

fraccionador no puede separar más de un componente en forma razonablemente pura a partir de

una solución de varios componentes; Por ende optamos por seleccionar el componente a obtener

prácticamente puro que en este caso será el benceno.

En este trabajo se propone una columna de destilación la cual se utilizara para separar la mezcla

de hidrocarburos mencionada, en las que se establecen unas condiciones específicas de

temperatura, concentración, alimentación, presión, etc., las cuales permitirán el control para el

diseño operacional y la utilización de la columna.



El alquitrán de hulla ha estado desde el principio de la industria, este alquitrán se obtenía de

forma abundante y barata de la industria del gas de hulla en rápido desarrollo. Antiguamente en la

separación de los componentes del alquitrán de hulla no se lograba la pureza deseada para alguno

de estos, por ejemplo en los hidrocarburos aromáticos usados en la industria de los colorantes, los

cuales escaseaban tiempo atrás. De los muchos compuestos del alquitrán de hulla,

aproximadamente 50 de estos son comercializados en diferentes fines

En 1900 en gran Bretaña había una gran producción de alquitrán de hulla el cual tenía un costo

muy bajo, ya que en este año se dispuso de nuevos suministros de alquitrán por parte de la

industria del acero, hasta aquel momento la mayor parte del coque metalúrgico eran producidos

en las llamadas hornos de colmena, de los cuales los productos secundarios volátiles se

expulsaban a la atmosfera ocasionando problemas ambientales , estos hornos fueron sustituidos

por hornos de subproductos para reducir la contaminación ambiental y se recuperaba el alquitrán

y el gas.

La producción mundial de alquitrán de hulla en 1901 era de 2,5 millones de toneladas, 10 años

más tarde tan solo en Alemania se destilaba 1 millón de toneladas al año, en ese entonces los

subproductos estaban constituidos por 30000 toneladas de naftaleno, 4000 toneladas de

antraceno, 20 000 toneladas de benceno y 3000 toneladas de tolueno .En 1980 en Estados Unidos

bajo la producción de alquitrán de hulla debido a que cerraron varios hornos de coque por ende

los derivados de la destilación de alquitrán de hulla tuvieron que obtenerse del fraccionamiento

del petróleo. [17]

Actualmente el alquitrán de hulla se presenta como una alternativa al petróleo para la obtención

de los compuestos que este contiene, más específicamente, para la obtención de hidrocarburos

aromáticos que son compuestos utilizados a gran escala en las diferentes industrias, ya que a

diario el petróleo aumenta su demanda viendo que la oferta permanece prácticamente sin

variabilidad.



2. METODOLOGÍA.

Para diseñar una columna de destilación de alquitrán de hulla se siguió un algoritmo por un

método empírico. El primer paso que se realizo fue la especificación de la alimentación, se

asignaron concentraciones mayores a los componentes más volátiles de la mezcla y composiciones

de menor proporción a los componentes menos volátiles, esto, con el fin de obtener una buena

estimación de las distribuciones de las especies en el destilado y el liquido de cola , pues el

algoritmo usado es un método meramente iterativo y la facilidad de la convergencia depende de

las especificaciones de las escisiones de los componentes claves y no claves en el destilado y

residuo teniendo en cuenta las concentraciones de las especies en la alimentación y las

propiedades termodinámicas de cada una de estas. Para empezar con el proceso iterativo primero

se definieron los parámetros de diseño. [12] [13]

La presión y condición térmica de la alimentación corresponde a condiciones conocidas de

corrientes que abandonan la etapa previa del equipo, por eso estas fueron seleccionadas como

otro parámetro de diseño. Para un mejor manejo con los cálculos se determino que la

alimentación entro al equipo como liquido saturado, y la presión y concentración de las especies

en esta corriente, como datos ya conocidos, además se calculó el punto de burbuja, información

necesaria para realizar el balance global de energía.

Se tuvo en cuenta que los limites de presión y temperatura son solamente orientativas y

dependen meramente de factores económicos, por eso el segundo factor de diseño que se escogió

fue la presión del condensador y se estimaron mínimas caídas de presión en este para los cálculos

del punto de burbuja del destilado y liquido de cola. De acuerdo con las condiciones de diseño lo

primero que se calculo fueron el número mínimo de etapas teóricas correspondiente a la

condición de reflujo total siguiendo el modelo matemático propuesto por Fenske.

Para las operaciones involucradas en el diseño operacional de dicha torre de destilación, se hará

uso del método Fenke-Underwood-Gilliland (FUG). Este método aunque solo es aproximado, se

utiliza mucho en la práctica con fines tales como el diseño preliminar, y estudios paramétricos

para establecer las condiciones óptimas de diseño, así como de secuencias óptimas de separación

en la síntesis de procesos



Para la determinación de la relación de reflujo mínima se siguió el modelo matemático de

Underwood, luego al calcular el número mínimo de etapas en condición de reflujo total y la

relación de reflujo se procedió a calcular el número de etapas teóricas especificadas a la condición

de reflujo de operación de acuerdo con los modelados matemáticos propuestos por Gilliland.

Posteriormente, ya teniendo un esquema más amplio del diseño de la torre se localizo la etapa de

alimentación utilizando la ecuación de Kirkbride y por último se calculo las cargas calóricas del

rehervidor y del condensador por medio de las ecuaciones del balance de energía. Finalmente se

estudio el tipo de destilación que se debe realizar teniendo en cuenta las propiedades

termodinámicas de los componentes y en el diseño mecánico de la torre se determino el tipo de

plato que se debe utilizar y el diámetro de la torre.

Figura 1: Método FUG, algoritmo a seguir



3. RESULTADOS Y ANÁLISIS.

Para la aplicación de los métodos em pír icos de diseño de columnas de destilación para múlti ples

com ponentes es de suma im por tancia la consideración de la ley de R aoult, pues estos métodos bien

son apr oximados, y sería un poco extenso el considerar las condiciones r eales del pr oceso, es decir ,

la no idealidad.

Para los difer entes cálculos que se r ealizar on se tuvier on en cuenta las siguientes pr o piedades de los

com ponentes del sistema:

Componente Punto de Ebullición (°C) Hv (KJ/mol) Cp (KJ/mol°C)

Benceno 80 30.72 0.1368 (6-60°C)

Tolueno 110.6 33.18 0.1695 (12-99°C)

Etilbenceno 136 35.57 0.1806 (30°C)

m-Cresol 202 45.53 0.2494 (21-197°C)

Naftaleno 217 40.45 0.2154 (87°C)

Tabla 1: Pr o piedades de los com ponentes

Del balance de mater ia de la torr e de destilación se obtuvo;

Componentes Destilado Residuoalimento (100

Kmol /h)

X Moles

(Kmol)%

recuperadoMoles

(Kmol)X

%recuperado

Moles(Kmol) X

Benceno 0.25 25 95 23.75 0.5031 5 1.25 0.02367

Tolueno 0.25 25 87 21.75 0.4608 13 3.25 0.06155

Etilbenceno 0.15 15 4 0.6 0.0127 96 14.4 0.2727

m-cr esol 0.20 20 4 0.8 0.0169 96 19.2 0.3636 Naftaleno 0.15 15 0,1 0.015 0.00032 99,9 14.985 0.2822

46.915 53.085

Tabla 2. Flujos y com posiciones de Alimentación, Destilado y r esiduo en torr e de Destilación.



CALCULOS DE LA TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL ALIMENTO

ALIMENTACION

COMPONENTE % Recuperado X

n

(K

mol/hr) Pi^satK

yBenceno 1 0,25 25 1923,23135 2,53056757 0,632641893

Tolueno 1 0,25 25 826,364256 1,08732139 0,271830348

Etilbenceno 1 0,15 15 397,317707 0,52278646 0,078417969

m-Cresol 1 0,2 20 38,0603322 0,05007938 0,010015877

Naftaleno 1 0,15 15 31,9089081 0,04198541 0,006297811

F (Kmol/hr) 100 0,999203897

P (mmHg) 760

BUBL T (°C) 113,6

BUBL P (mmHg) 759,3949613

CALCULO DE LA TEMPERATURA DE ROCIO EN EL DESTILADO

DESTILADO

COMPONENTE%

Recuperado Y n (Kmol/hr) Pi^sat K x

Benceno 0,95 0,50623468 23,75 3290,7288 2,16495316 0,233831701

Tolueno 0,87 0,463604391 21,75 1507,20635 0,99158313 0,467539613

Etilbenceno 0,04 0,012789087 0,6 768,975534 0,50590496 0,025279623

m-Cresol 0,04 0,017052116 0,8 97,0406723 0,06384255 0,267096414

Naftaleno 0,001 0,000319727 0,015 76,6458687 0,05042491 0,006340659

D (Kmol/hr) 46,915 1,00008801

P (mmHg) 1520

DEW T (°C) 136,62

DEW P (mmHg) 1519,866236

CALCULO DE LA TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL RESIDUO

RESIDUO

COMPONENTE % Recuperado X n (Kmol/hr) Pi^sat K y

Benceno 0,05 0,023547141 1,25 9206,7768 5,89847156 0,138892144

Tolueno 0,13 0,061222568 3,25 4761,64523 3,0506256 0,186767132

Etilbenceno 0,96 0,271263069 14,4 2709,2755 1,73574149 0,470842563m-Cresol 0,96 0,361684092 19,2 569,575312 0,3649077 0,131981311

Naftaleno 0,999 0,282283131 14,985 395,69119 0,25350601 0,07156047

B (Kmol/hr) 53,085 1,000043619

P (mmHg) 1560,875

BUBL T (°C) 190,91

BUBL P (mmHg) 1560,943085



Alimento Destilado Residuo

COMPONENTE

Benceno 60,27255302 42,9341966 23,26758097

Tolueno 25,89760372 19,6645478 12,03374084

Etilbenceno 12,45162343 10,0328374 6,846944198

m-Cresol 1,192780779 1,26609136 1,439444006

Naftaleno 1 1 1

Ta bla 6: volatilidades r elativas

CALCULOS

Parametrosde diseño

Nmin 2,685320553 3

1,734635902R_Dmin 0,88307968

R_Dreal 1,501235455

R/Rmin 1,7

X 0,247140178

Y 0,398265066

N 5,124491613 6

Log[Nr/Na] 0,734622503

Nr/Na 5,427783337

Na 0,933447767 1

Nr 5,066552233 5

Redondeando el númer o de etapas que se r equier en se encuentra una etapa corr es pondiente al

calder in, 1 etapas por deba jo de la alimentación y 5 más por encima de la alimentación.

Para este pr oceso se deter mino el uso de un condensador y r eher vidor total dado por las condiciones

de diseño pr eviamente fijadas teniendo en cuenta las r efer encias, es decir , las pr esiones de salida en

el to pe y el fondo de la columna.



Calculos

L 70,43046139 (Kmol/hr)

V 117,3454614 (Kmol/hr)

L _ 170,4304614 (Kmol/hr)

V _ 117,3454614 (Kmol/hr)

Qc 1047,493612 KW

Qr 1283,915687 KW

PMprom 101,4900634 (Kg/Kmol)

B. 1,49655556 (Kg/s)

vap 2,665451611 (Kg/m3)

liq 1004,928417 (Kg/m3)Separacion 0,5 (m)

uv 0,877453324 (m/s)

Dc 0,902618163 (m)

Hc 3,5 (m)

De los r esultados anter ior es se obtuvo que el plato de alimentación vendr á siendo el segundo en la

columna, dado a que se calculo 1 platos en la zona de agotamiento y 5 en la zona de r ectificación.

En los cálculos se simulo el pr oceso con var ios valor es para la r elación de r eflujo, r esultando ser el

más eficiente el mostrado en la Ta bla 7 (R/Rmin=2), dado que con cantidades menor es de este valor

se obtuvier on valor es menor es para las car gas del condensador y el r eher vidor per o a su vez un

mayor númer o de platos, y con cantidades mayor es de este mismo valor se obtuvier on mayor es

demandas para el condensador y el r eher vidor r es pectivamente, lo cual es desf avora ble en mater ia

de ahorr o, per o con el mismo númer o de platos.



Al finalizar los cálculos se analizo y or ganizo el esquema del pr oceso de la siguiente manera:



4. CONCLUSIONES.

y Si se aumenta el r eflujo disminuyen el númer o de platos y la altura de la torr e ser á menor ,

ya que al r etor nar mayor liquido a la torr e se mejora el equilibr io ter modinámico en cada

plato, per o se debe tener en cuenta que mientras mayor es el r eflujo el sistema r equier e

mayor ener gía, por que los r equer imientos de r ef r igeración del condensador y de

calentamiento del r eher vidor son mayor es, por lo tanto se busca el punto o ptimo en los

cuales los costos sean mínimos. [13]

y La se paración de com ponentes que tienen apr oximadamente los mismos puntos de

ebullición es dif ícil de r ealizar por destilación sim ple y una se paración com pleta puede

r esultar im posible debido a la for mación para tales sistemas puede mejorar se la se paración

añadiendo un ter cer com ponente para modificar la volatilidad de los com ponentes este

pr oceso r ecibe el nombr e de destilación extractiva. La se paración de la mezcla or iginal

puede también f acilitar se añadiendo un disolvente que for me un azeotr o po con uno de los

com pontes claves.

.

y La torr e puede f a br icar se con difer entes mater iales según la condición de corr osión

encontrada para los com ponentes; algunos de estos com ponentes no son corr osivos y otr os

si es pr efer ible acer o inoxida ble

Por otr o lado para la mayoría de las instalaciones se utiliza acer o inoxida ble aunque no se

r equiera necesar iamente para la r esistencia a la corr osión además es un mater ial de fácil

lim pieza y pr esenta alta r esistencia a la oxidación, por estas características este ser á el

mater ial a usar en el monta je de la torr e.



AGRADECIMIENTOS.

y Agradecimientos a Dios por la voluntad y for taleza para finalizar el tra ba jo y A nuestr os f amiliar es por pr estar atenciones y r ecur sos para el r ealizamiento del pr oyecto

y A la univer sidad de Car tagena por pr estar todos los ser vicios necesar ios

y Al pr ofesor miguel mueses por sus acesor ias y clases

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