ALGORITMO DE CLCULO PARA EL DISEO OPERACIONAL DE UNA TORRE DE DESTILACIN MULTICOMPONENTES

ALGORITMO DE CLCULO PARA EL DISEO OPERACIONAL DE UNA TORRE DE DESTILACIN MULTICOMPONENTES 1.1 ESPECIFICACION DE LA ALIMENTACIN 1.2 ESPECIFICACION DE LA SEPARACION DE LOS COMPONENTES CLAVES 1.3 ESTIMACION DE LA SEPARACION DE LOS COMPONENTES NO-CLAVES 1.4 DETERMINACION DE LA PRESION DE LA COLUMNA 1.5 FLASH ADIABATICO DE LA ALIMENTACION A LA PRESION DE LA COLUMNA 1.6 CALCULO DEL NUMERO MINIMO DE ETAPAS TEORICAS 1.7 CALCULO DE LA SEPARACION DE LOS COMPONENTES NO-CLAVES 1.8 MEMORIAS DE LA ULTIMA ITERACION 1.9 CALCULO DE LA RELACION DE REFLUJO MINIMO 1.10 CALCULO DEL NUMERO DE ETAPAS TEORICAS A LA TASA DE REFLUJO OPTIMO 1.11 LOCALIZACION DEL PLATO DE LA ALIMENTACION 1.12 CORRECCION DE LA PRESION EN EL PLATO DE ALIMENTACION 1.13 CALCULO DE LAS CARGAS CALORICAS EN EL CONDENSADOR Y REHERVIDOR 1.14 SELECCIN DEL TIPO DE REHERVIDOR

Para las operaciones involucradas en el diseo operacional se va a usar el mtodo de Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) y/o una de sus variantes [1]. Este mtodo aunque slo es aproximado, se utiliza mucho en la prctica con fines tales como el diseo preliminar, estudios paramtricos para establecer las condiciones ptimas de diseo, as como para estudios de secuencias ptimas de separacin en la sntesis de procesos. Un esquema del algoritmo a seguir se muestra en la Fig. 1.

1.1 ESPECIFICACIN DE LA ALIMENTACIN Se tiene una mezcla con las composiciones que se muestran en la Tabla 1, la cual se va a llevar a una torre de destilacin (T1) con el objetivo de purificar el nitrobenceno crudo obtenido en las etapas anteriores del proceso y recuperar benceno para recircularlo a un mezclador mezclador (M4), tal como se muestra en la Fig. 2.

Tabla 1: especificacin de la alimentacin T=215.45 y P=37.5psia.

1.2 ESPECIFICACIN DE LA SEPARACIN DE LOS COMPONENTES CLAVES Para la seleccin de los componentes claves, se hizo un flash para determinar las volatilidades relativas de los componentes, as: 1) Se determinaron las temperaturas de burbuja y de roco de la corriente de alimentacin a la torre (ver Tabla)2) Se seleccion una temperatura que estuviera en el rango definido por las temperaturas de burbuja y roco. 3) Se hizo un flash y se calcularon las volatilidades de los componentes, tomando como referencia el nitrobenceno. (ver Tabla )

Especificacin de la separacin de los componentes claves

Clave ligero (Benceno): 98 % de la alimentacion por el destilado. lk:0.98Dlk=Flk x lk (Flujo del componente clave ligero en el destilado.) Donde lk: grado de separacion del componente clave ligero.Blk=Flk-Dlk (flujo del componenteclave ligero por los fondos).Clave pesado (nitrobenceno): 98 % de la alimentacion por los fondos .lk:0.98Bhk=Fhk- hk (flujo del componente clave pesado en el residuo o fondos).hk: grado de separacion del componente clave pesado.Dhk=Fhk x Blk (Flujo del componente clave ligero en el destilado.)

1.3 ESTIMACIN DE LA SEPARACIN DE LOS COMPONENTES NO-CLAVES

1.4 DETERMINACIN DE LA PRESIN DE LA COLUMNA Y EL TIPO DE CONDENSADOR Para determinar la presin y el tipo de condensador se sigui el algoritmo representado en la Fig.

Asumiendo una cada de presin en el condensador de 5 psi, y de 5 psi en la columna; y considerando que la alimentacin se encuentra justamente en la mitad de la torre se tiene que: Pcolumna = PD + 7.5psia PFondos = PD +10 psia El perfil de presiones a lo largo de la torre se muestra en la Tabla

91.5 FLASH ADIABTICO DE LA ALIMENTACIN A LA PRESIN DE LA TORRE

Se aplica un flash adiabtico al flujo de entrada de la torre, a la presin que se determin P = 37.5 psia (presin de la columna) para el alimento; esto se hizo con el fin de verificarque el orden de volatilidades no hubiese cambiado.

Los resultados del flash adiabtico de la alimentacin a la presin de la torre se muestran en la Tabla.

1.6 CLCULO DEL NMERO MNIMO DE ETAPAS TERICAS

Para el nmero mnimo de etapas tericas se hace necesario analizar que tanto varan lasvolatilidades relativas de los componentes a lo largo de la torre. Para ello se calculan las volatilidades relativas de los componentes tanto en el tope como en el fondo de la torre. Esto con elfin de mirar la variabilidad de las volatilidades y ver si se debe usar las ecuaciones de Fenske o de Winn

Como se puede ver en la Tabla 16, el porcentaje de desviacin del componente clave ligero (LK) es mayor al 20%, por lo cual se debe usar la ecuacin de Winn.

1.10 CLCULO DEL NMERO DE ETAPAS TERICAS A LA TASA DE REFLUJO PTIMO

131.11 LOCALIZACIN DEL PLATO DE LA ALIMENTACIN Una aproximacin razonablemente buena de la localizacin de la etapa ptima de alimentacin puede obtenerse utilizando la ecuacin emprica de Kirkbride.

Donde:NR (corresponde a las etapas en la zona de rectificacin NS (las etapas de la zona de adelgazamiento.)

1.12. CORRECCIN DE LA PRESIN EN EL PLATO DE ALIMENTACIN Se hace necesario corregir la presin de la alimentacin, pues inicialmente se haba supuesto que sta entraba en el punto medio de la torre. La correccin est dada por:

Al comparar este ltimo valor con el supuesto inicialmente, se obtiene un porcentaje de desviacin del 0.1221%, por lo cual no se hace necesario volver a hacerle un flash a la alimentacin.

1.13. CLCULO DE LAS CARGAS CALORICAS EN EL CONDENSADOR Y REHERVIDOR

Carga calrica en el condensador Balance global de energa en el condensador (ver Fig)Como se trata de un condensador total, HL0=HDAdems, G1=L0+D=D(Ro + 1) G1.HG1=L0.HL0+ D.HD+Qc G1.HG1=G1.HD+QcLuego, Qc= G1 (HG1 - HD)

Carga calrica en el rehervidor

Balance global de energa en la torre (ver Fig.)Suponiendo flujo molares constantes a lo largo de cada una de las secciones de la torre, se tiene que: Flujos molares en la seccin de rectificacin: G=G1 L=L0 Flujos molares en la seccin de agotamiento: G=G (1-q)F L=L+qF Luego, QB+F.HF=D.HD+B.HB+Qc QB=D.HD+B.HB+Qc F.HF

Estado termodinmico del flujo que regresa del rehervidor a la torre

Para el fluido que regresa a la torre, el balance de energa en el rehervidor est dado como: QB= LB(HG- HB)

Luego, HG= (QB/LB) )+HB =89274.5607kJ/kgmol A la presin de los fondos se calculan las entalpias en el punto de burbuja y en el punto de roco.Obtenindose los valores 53321.1803 kJ/kgmol y 95966.7021 kJ/kgmol. Como se puede ver el fluido que regresa a la torre es una mezcla liquido-vapor, por lo cual se necesitara un rehervidor parcial.

SELECCIN DEL TIPO DE REHERVIDOR

Lo que se desea es un rehervidor que proporcione un equilibrio liquido-vapor,para que trabaje con iguales proporciones y asi no ingrese mayor cantidad devapor en la torre, o solo vapor, y adems que sea econmico.

Para la torre de destilacin se escoge un rehervidor horizontal de paso continuo. Seselecciona este rehervidor por que tiene la ventaja de que se trabaja como platoterico, posee menor cada de presin, no se incrusta con facilidad, es de menoraltura en el faldn comparado con el vertical, adems la tubera es sencilla ycompacta, posee gran facilidad de mantenimiento y es de bajo costo.

El rehervidor elegido, es un rehervidor parcialSELECCIN DEL TIPO DE TORREEstimacin del dimetro de la torre: Mtodo de Brown-Souder [14]OJO: Para dimetros menores a 0.6m se usan torres empacadas y para dimetros mayores a 4 m se usan torres de platos, entre este intervalo se pueden usar ambas torres.1) Inicialmente se calcula el parmetro B, con la siguiente ecuacin:

Donde: Ts = espaciado entre platos, (in)*B20=parmetro considerando una tensin superficial de 20 dinas/cm * Para la seleccin del espaciado entre platos, se tuvo en cuenta la Tabla 6.1 del libro de Treybal [15], la cual relaciona valores recomendados del espaciado entre platos con dimetros de columna recomendados.2) Se hace la correccin de este parmetro por tensin superficial, por:

Donde: = tensin superficial del lquido (dinas/cm)3) Se calcula el flux msico de vapor, usando la siguiente ecuacin:

Donde: L= densidad del lquido (lb/ft3)G= densidad del vapor (lb/ft3)G = flux msico del vapor (lb/h.ft2)

4) Se calcula el rea de seccin transversal de la columna, y con ella su dimetro, as:

Donde:G = flujo msico del vapor (lb/h) G = flux msico del vapor (lb/h.ft2)D = dimetro de la columna (ft)** ** Se debe corroborar que el dimetro calculado cumpla con las dimensiones generales recomendadas para las torres de platos para el respectivo espaciado entre platos

Con los dimetros obtenidos por el mtodo de Brown-Souder se realiza una aproximacin al dimetro real de la torre y se hace una eleccin del tipo de torre que se debe disear; torre de platos o torre empacada.El dimetro de la torre por el mtodo de Brown-Souder dio un dimetro aproximado de 1.3717m para el tope y 1.0940m para el fondo de la torre. Al no ser un criterio decisivo se recurre a otros criterios que se mencionan a continuacin. Relacin liquido/gas: Cuando se tienen relaciones de lquido-vapor pequeas lo ms recomendable es trabajar con torres de platos. En nuestro caso:

Dicha relacin tanto en el tope como en el fondo, no es tan grande, por lo tanto es conveniente emplear una torre de platos segn este criterio.Sistemas espumantes: Se recomienda utilizar torres empacadas cuando se trabaja con sistemas espumosos. Un sistema tiende a formar espumas cuando su tensin superficial es baja y se encuentra entre 1 y 20 dinas/cm, tomando como referencia la tensin superficial del agua, dado que la tensin superficial para el tope y el fondo son mayores a 20 dinas/cm (ver Tabla 43), se utilizara torre de platos.

Limpieza: La torre de platos presenta mayor facilidad para realizar operaciones demantenimiento y limpieza, por eso este tipo de torre es la ms aconsejable para el diseo. Corrosin: Se trabajara con acero austentico 316L con lo que las permeancias por corrosin son menores de 2 mpy, por lo que la columna de platos es una buena opcin.Cada de Presin: ya que la torre no opera con vacio, se puede usar torre de platos. Costos: Debido a que la torre cuenta con un dimetro que est entre 0.6 m y 4 m utilizar una torre de platos no resulta costos.

Por los criterios anteriores la mejor seleccin es una torre de platos