Universidad de Guanajuato
División de Ciencias Naturales y Exactas
Departamento de ingeniería química
IQ30715-Diseño y simulación de procesos y productos I
M.I.Q. Eduardo Sánchez Ramírez
Reporte #6 Practica #7 Diseño sistemático de una columna de destilación
“
Jaime David Ponce Rocha Rocha
08/03/2017
”
Introducción
La destilación o rectificación es una operación de separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida o gaseosa mediante la acción de un vapor o líquido generado respectivamente por calefacción o enfriamiento de la mezcla original. Se trata de un equipo que consta de un calderín o rehervidor (en el cual se genera vapor), una columna con platos o con empaques (en la cual se lleva a cabo la rectificación, r ectificación, al ponerse en contacto los vapores en contracorriente con el líquido) y un condensador (en el cual se condensan los vapores salientes del domo, se regresa parte de ese líquido como reflujo y se extrae parte del mismo como un destilado o producto del domo).
Ilustración 1. Diagrama de columna de destilación moderna
El contacto entre las dos fases da lugar a un intercambio de componentes, de manera que los más volátiles se acumulan en el vapor que sale de la parte superior de la columna y los más pesados pasan a la fase liquida, que se extra por el fondo. Esto originado por un gradiente de temperaturas y presión en la columna de destilación, dicho gradiente también es llamado gradiente de concentraciones. Para la comprensión de este fenómeno es necesario comprender el fenómeno difusiones difusiones fundamental, denominado equilibrio liquido-vapor, dicho fenómeno es calculado mediante ecuaciones de estado (Peng-Robinson, Redlich-Kwong), modelos de actividad (NRTL, Wilson, UNIFAC) o correlaciones (Chao-Seader, Grayson-Streed) según los tipos de compontes en la mezcla a destilar. Para determinar la simulación de condiciones operacionales en una columna de destilación, existen dos tipos métodos:
Métodos cortos Métodos rigurosos
El uso de métodos rigurosos ha ido ganando terreno en el diseño de columnas simples, debido al uso de software computacionales que disminuyen el tiempo de cálculo. A pesar de esto, los métodos cortos siguen siendo usados para el cálculo de un diseño preliminar, estudios paramétricos que establecen condiciones óptimas y para el estudio de síntesis.
Introducción
La destilación o rectificación es una operación de separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida o gaseosa mediante la acción de un vapor o líquido generado respectivamente por calefacción o enfriamiento de la mezcla original. Se trata de un equipo que consta de un calderín o rehervidor (en el cual se genera vapor), una columna con platos o con empaques (en la cual se lleva a cabo la rectificación, r ectificación, al ponerse en contacto los vapores en contracorriente con el líquido) y un condensador (en el cual se condensan los vapores salientes del domo, se regresa parte de ese líquido como reflujo y se extrae parte del mismo como un destilado o producto del domo).
Ilustración 1. Diagrama de columna de destilación moderna
El contacto entre las dos fases da lugar a un intercambio de componentes, de manera que los más volátiles se acumulan en el vapor que sale de la parte superior de la columna y los más pesados pasan a la fase liquida, que se extra por el fondo. Esto originado por un gradiente de temperaturas y presión en la columna de destilación, dicho gradiente también es llamado gradiente de concentraciones. Para la comprensión de este fenómeno es necesario comprender el fenómeno difusiones difusiones fundamental, denominado equilibrio liquido-vapor, dicho fenómeno es calculado mediante ecuaciones de estado (Peng-Robinson, Redlich-Kwong), modelos de actividad (NRTL, Wilson, UNIFAC) o correlaciones (Chao-Seader, Grayson-Streed) según los tipos de compontes en la mezcla a destilar. Para determinar la simulación de condiciones operacionales en una columna de destilación, existen dos tipos métodos:
Métodos cortos Métodos rigurosos
El uso de métodos rigurosos ha ido ganando terreno en el diseño de columnas simples, debido al uso de software computacionales que disminuyen el tiempo de cálculo. A pesar de esto, los métodos cortos siguen siendo usados para el cálculo de un diseño preliminar, estudios paramétricos que establecen condiciones óptimas y para el estudio de síntesis.
El uso de simuladores facilita el cálculo aproximación a ciertas condiciones dadas en algún equipo, en este caso Aspen Plus V 8.8 nos ofrece los siguientes modelos para columnas de destilación:
DSTWU. Modelo aproximado emplea el método Winn-Underwood-Gilliland. Winn-Underwood-Gilliland. Uso: DISEÑO Distl. Modelo aproximado. Usan el método de Edmister. Uso: SIMULACIÓN Radfrac. Modelo riguroso (Resolución de ecuaciones MESH por el método de corrección simultanea). Uso: SIMULACIÓN. Además de para destilación se puede emplear para modelar absorbedores, strippers, destilaciones reactivas, etc.
En esta sesión realizaremos el diseño sistemático de una columna de destilación. Considerando la alimentación de la Tabla 1. Se requiere una pureza de 0.99 (% mol) de n- butano y recuperación superior del 98% (mol). Garantice el uso de agua de enfriamiento como refrigerante en el domo de la columna. Componente
Lb mol/h
n-butano
33.33
n-pentano
33.33
n-octano
33.33
Para ello primero se realizará el cálculo de la presión del condensador mediante la implementación de un tanque flash el cual opera a 120°F (Agua de enfriamiento como refrigerante) y una fracción de vapor igual a cero. Una vez obtenidos los resultados procederemos a simular una columna de destilación mediante métodos cortos (DSTWU) para tener un diseño preliminar de la columna de destilación que se simulara de manera rigurosa (Radfrac), para finalizar se efectuara una especificación de diseño con la cual obtendremos el valor de la relación de reflujo exacta para obtener el porcentaje de recuperación y pureza planteados. De manera adicional se planteará el mismo procedimiento descrito con anterioridad, anterioridad, pero esta vez para separar los fondos de la columna simulada de manera rigurosa (n-pentano y n-octano) con la misma especificación de pureza de 0.99 (%mol) de pentano y recuperación superior de 98% (mol).
Antecedentes
Destilación flash Este tipo de destilación implica la vaporización instantánea de una parte de una mezcla liquida ya sea mediante calor o reducción de presión. Para lograr lo anterior se debe lograr que la mezcla a destilar se encuentre entre los puntos de rocío y de burbuja Si a esa mezcla se le deja alcanzar el equilibrio es posible separar la fracción vapor de la fracción liquida, lográndose así la concentración de los componentes más volátiles en la fase gaseosa y la de los más pesados en la fase liquida.
La destilación instantánea se puede utilizar tanto para mezclas binarias como para multicomponentes.
Ilustración 2. Tanque tipo flash
Métodos cortos (DSTWU) El módulo DSTWU es utilizado para el diseño de columnas de destilación simples (una entrada, una salida de destilado y una salida de fondos). Este módulo tiene las siguientes opciones para el tipo de condensador: a) b) c)
Condensador Total Condensador Parcial con destilado vapor Condensador Parcial con destilado líquido – vapor
El módulo DSTWU requiere que se especifiquen las recuperaciones de los componentes clave ligero y clave pesado en el domo de la columna, así como la presión en el condensador y en el rehervidor. Para el grado de libertad restante se tienen dos opciones, especificar a) b)
El número de platos de la columna La relación de reflujo (real o un múltiplo del reflujo mínimo)
El módulo DSTWU utiliza las ecuaciones de
Winn, para el cálculo del número de platos mínimos Underwood, para el cálculo del reflujo mínimo Gilliland, para el cálculo de número de etapas teóricas reales a reflujo de operación Kirkbride, para la localización del plato de alimentación
Ilustración 3. Diagrama columna de destilación DSTWU
Métodos rigurosos (Radfrac) El módulo Radfrac es utilizado para realizar la simulación rigurosa de columnas de destilación y, en general, todo tipo de operaciones de fraccionamiento multietapas líquido-vapor. Este módulo es capaz de simular destilación ordinaria, absorción, absorción con calentamiento, desorción, desorción con calentamiento, destilación reactiva, destilación extractiva, destilación azeotrópica. Radfrac puede manejar sistemas de dos fases, tres fases, con puntos de ebullición cercanos y lejanos, con una fase líquida no ideal. También es capaz de detectar y manejar cálculos libres de agua y una segunda fase líquida en cualquier parte de la columna.
Ilustración 4. Diagrama de columna de destilación Radfrac
Especificación de diseño Una especificación de diseño (Design Specification) fija el valor de una variable que de otra forma Aspen Plus calcularía. Para cada especificación de diseño, se debe identificar una variable de entrada a un bloque, una variable de corriente de alimentación a un proceso u otra entrada de simulación que se quiera manipular o ajustar para alcanzar la especificación. Cuando se utilice una especificación de diseño, se necesita especificar el valor deseado de una variable del proceso o una función de variables de proceso. Las variables de proceso utilizadas en la especificación de diseño son llamadas variables ajustadas. Para cada especificación de diseño se requiere seleccionar una variable de entrada de bloque o una variable de corriente de alimentación a un proceso que será ajustada para satisfacer la especificación de diseño. Esta variable se denomina variable manipulada. El objetivo de la especificación es el de igualar el valor calculado. Las especificaciones deben tener cierta tolerancia alrededor del objetivo para poder satisfacerlas. El criterio de paro de una especificación de diseño es: |Valor especificado -Valor calculado|< Tolerancia
Objetivo
Diseñar conceptualmente una columna de destilación. Aplicar los conocimientos adquiridos en procesos de separación para el modelado riguroso de una columna de destilación.
Metodología
1. Iniciar simulador Aspen Plus V 8.8, seleccionar blank simulation y posteriormente create (Ver ilustración 5).
Ilustración 5
2. Ingresar componentes necesarios con sus respectivos indicadores para la simulación: NButano, N-Pentano y N-Octano (Ver ilustración 6).
Ilustración 6
3. Seleccionar el modelo termodinámico (Correlación de Chao-Seader) con el que realizara la simulación, seleccionar next para obtener los resultados (Ver ilustración 7).
Ilustración 7
4. Pasar a la ventana de simulación, seleccionar la pestaña de separadores y por ultimo seleccionar el icono Flash2, desplegar corrientes de alimentación y salidas (Ver ilustración 8).
Ilustración 8
5. Ingresar condiciones de entrada (35°C y 1 atm) con un flujo de entrada para el n-butano del 98% respecto al flujo inicial (33.33 lb mol/h) y una pequeña traza de n-pentano, al terminar seleccionar next (Ver ilustración 9).
Ilustración 9
6. Ingresar las condiciones de operación del tanque flash (120°F y fracción de vapor), las cuales asemejan a las de un condensador esto para obtener la presión del mismo, el cual será de utilidad para el cálculo de la columna por medio de los métodos cortos (Ver ilustración 10 y N).
Ilustración 10
7. Regresar a la ventana de diagramas de flujo, ir a la pestaña de columnas y seleccionar la DSTWU, por ultimo desplegar corriente de alimentación y salida ( Ver ilustración 11).
Ilustración 11
8. Dar doble clic sobre corriente de alimentación ingresar condiciones de entrada (35°C y 1 atm) con un flujo de 33.33 lb mol/hr para cada componente (N-butanol, N-pentano y Noctano) seleccionar next al terminar (Ver ilustración 12).
Ilustración 12
9. Ingresar una relación de reflujo de -1.33, la presión de condensador (Obtenida en el flash), así como la del rehervidor (Pcondesador+10psia), por ultimo seleccionar el clave ligero y su recuperación (Butano, 0.98), lo mismo para el clave pesado (Pentano, 0.02), seleccionar next y obtener resultados (Ver ilustración 13).
Ilustración 13
10. Volver a la ventana de diagramas de flujo, ir a la pestaña de columnas y seleccionar la Radfrac por ultimo desplegar corriente de alimentación y salida (Ver ilustración 14).
Ilustración 14
11. Dar doble clic sobre corriente de alimentación ingresar condiciones de entrada (35°C y 1 atm) con un flujo de 33.33 lb mol/hr para cada componente (N-butanol, N-pentano y Noctano) seleccionar next al terminar (Ver ilustración 15).
Ilustración 15
12. Una vez en la pestaña de especificaciones de la columna ingresar el número de etapas (obtenido en la simulación de la columna DSTWU), un condensador total, hervidor tipo kettle, la reacción de reflujo y la relación L/D (obtenidas en la simulación de la columna DSTWU) (Ver ilustración 16).
Ilustración 16
13. Seleccionar next, ahora en la pestaña de corrientes seleccionar la etapa de alimentación (obtenido en la simulación de la columna DSTWU) (Ver ilustración 17 ).
Ilustración 17
14. Seleccionar next, pasaremos a la pestaña de presión ahí ingresaremos la presión del condensador obtenida en el flash del paso 6, seleccionamos una caída de presión de 10 psia, seleccionar next y esperar resultados (Ver ilustración 18).
Ilustración 18
15. Ir a la ventana superior izquierda de la ventana de simulación y desplegar la pestaña de setup, seleccionar el apartado de opciones de reporte, una vez ahí aparecerá una ventana donde seleccionaremos la pestaña de corrientes para añadir flujo molar y másico, así como fracción mol y masa, seleccionar next para obtener resultados con las nuevas especificaciones (Ver ilustración 19).
Ilustración 19
16. Como los resultados obtenidos no deseados, se cambiará la relación de reflujo dando pequeños incrementos hasta obtener un valor en % de recuperación similar al planteado (Ver ilustración 20).
Ilustración 20
17. Para obtener el valor exacto de la relación de reflujo que nos garantiza los valores de % de recuperación y pureza del n-butano, seleccionamos el bloque que pertenece a nuestra columna de destilación en métodos rigurosos, selecciónalos especificaciones de diseño y generamos una variable nueva (Ver ilustración 21).
Ilustración 21
18. Apareceremos en la ventana de especificaciones en la cual ingresaremos la descripción, el tipo de especificación (pureza molar) y el valor de dicha pureza (0.99), seleccionamos next al culminar (Ver ilustración 22).
Ilustración 22
19. Seleccionamos el compuesto de interés (n-Butano), así como la corriente del domo(TOP3) (Ver ilustración 23 y 24).
Ilustración 23
Ilustración 24
20. Seleccionar next, ahora aparecemos en la ventana de variación, donde generaremos una nueva variable (Ver ilustración 25).
Ilustración 25
21. En la ventana de especificaciones seleccionar relación de reflujo con un valor mínimo menor al obtenido en el método DSTWU y uno mayor a 3, seleccionar next y seleccionar la pestaña de resultados (Ver ilustración 26 y 27).
Ilustración 26
Ilustración 27
Parte II 22. Pasar a la ventana de simulación, seleccionar la pestaña de separadores y por ultimo seleccionar el icono Flash2, desplegar corrientes de alimentación y salidas (Ver ilustración 28).
Ilustración 28
23. Ingresar condiciones de entrada y flujo obtenido en la columna simulada por métodos rigurosos (n-butano y 98% de n-pentano respecto al flujo inicial (33.33 lb mol/h) y una pequeña traza de n-octano, al terminar seleccionar next (Ver ilustración 29).
Ilustración 29
24. Regresar a la ventana de diagramas de flujo, ir a la pestaña de columnas y seleccionar la DSTWU, por ultimo desplegar corriente de alimentación y salida (Ver ilustración 30).
Ilustración 30
25. Dar doble clic sobre corriente de alimentación ingresar condiciones de entrada obtenidas de los resultados de los fondos de la columna de destilación Radfrac, seleccionar next al terminar (Ver ilustración 31).
Ilustración 31
26. Ingresar una relación de reflujo de -1.33, la presión de condensador (Obtenida en el flash), así como la del rehervidor (Pcondesador+10psia), por ultimo seleccionar el clave ligero y su recuperación (Pentano, 0.98), lo mismo para el clave pesado (Octano, 0.02), seleccionar next y obtener resultados (Ver ilustración 32).
Ilustración 32
27. Volver a la ventana de diagramas de flujo, ir a la pestaña de columnas y seleccionar la Radfrac por ultimo reconectar corriente de fondos de columna Radfrac a la nueva columna Radfrac, seleccionar columna Radfrac nueva (Ver ilustración 33).
Ilustración 33
28. Una vez en la pestaña de especificaciones de la columna ingresar el número de etapas (obtenido en la simulación de la columna DSTWU), un condensador total, hervidor tipo kettle, la reacción de reflujo y la relación L/D (obtenidas en la simulación de la columna DSTWU) (Ver ilustración 34).
Ilustración 34
29. Seleccionar next, ahora en la pestaña de corrientes seleccionar la etapa de alimentación (obtenido en la simulación de la columna DSTWU) (Ver ilustración 35 ).
Ilustración 35
30. Seleccionar next, pasaremos a la pestaña de presión ahí ingresaremos la presión del condensador obtenida en el flash del paso #, seleccionamos una caída de presión de 10 psia, seleccionar next y esperar resultados (Ver ilustración 36).
Ilustración 36
31. Como los resultados obtenidos no deseados, se cambiará la relación de reflujo dando pequeños incrementos hasta obtener un valor en % de recuperación similar al planteado (Ver ilustración 37).
Ilustración 37
32. Para obtener el valor exacto de la relación de reflujo que nos garantiza los valores de % de recuperación y pureza del n-pentano, seleccionamos el bloque que pertenece a nuestra columna de destilación en métodos rigurosos, selecciónalos especificaciones de diseño y generamos una variable nueva (Ver ilustración 38).
Ilustración 38
33. Apareceremos en la ventana de especificaciones en la cual ingresaremos la descripción, el tipo de especificación (pureza molar) y el valor de dicha pureza (0.99), seleccionamos next al culminar (Ver ilustración 39).
Ilustración 39
34. Seleccionamos el compuesto de interés (n-pentano y n-butano ya que es más ligero que el n-pentano), así como la corriente del domo (TOP5) (Ver ilustración 40 y 41).
Ilustración 40
Ilustración 41
35. Seleccionar next, ahora aparecemos en la ventana de variación, donde generaremos una nueva variable (Ver ilustración 42).
Ilustración 42
36. En la ventana de especificaciones seleccionar relación de reflujo con un valor mínimo menor al obtenido en el método DSTWU y uno mayor a 3, seleccionar next y seleccionar la pestaña de resultados (Ver ilustración 43 y 44).
Ilustración 43
Ilustración 44
Resultados
Parte I a) Resultados obtenidos en el primer flash para calcular la presión del condensador
b) Tabla de resultados de la primera columna DSTWU, relación de reflujo, etapas, L/D
c) Tabla de resultados de la primera columna Radfrac
d) Relación de reflujo obtenida mediante las especificaciones de diseño
e) Perfil de composiciones por etapa en primera columna Radfrac
Parte II f)
Resultados obtenidos en el segundo flash para calcular la presión del condensador
g) Tabla de resultados de la segunda columna DSTWU, relación de r eflujo, etapas, L/D
h) Tabla de resultados de la segunda columna Radfrac
i)
Relación de reflujo obtenida mediante las especificaciones de diseño
j)
Perfil de composiciones por etapa en segunda columna Radfrac
