Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología Instituto Universitario de Tecnología Dr. Federico Rivero Palacios Departamento de Proceso Químicos Curso de Operaciones Unitarias
DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DE UNA TORRE REFINADORA DE METANOL
Autores:
Profesora:
Erick Ascanio
Yumay Hernández
Génesis Bello Carlos Calderón José Luis Joseline Mangarre Carla Ruiz Osmery Ruiz
Caracas, febrero de 2017
ÍNDICE Pág 1. Planteamiento del problema
3
2. Obtención del equilibrio liquido-vapor
4
3. Cálculos de los flujos D y W
8
4. Trazado de las rectas de operación y cálculo del Rmin y Rop
8
5. Trazado de las etapas ideales y cálculo de las etapas reales utilizando la eficiencia de Murphree
11
6. Flujos molares internos de la torre
12
6.1. Zona de enriquecimiento
12
6.2. Zona de agotamiento
12
6.3. Flujos y propiedades de la zona de agotamiento
13
7. Calculo de la velocidad de inundación del gas
13
8. Área neta y área del plato
14
9. Calculo del diámetro y altura de la columna
15
2
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proceso de producción de metanol consiste, básicamente, en la reformación catalítica del gas natural, seguida por la síntesis y purificación del metanol. Inicialmente el gas natural, despojado del contenido de azufre en la sección de hidrodesulfuración, se sobresatura con vapor de agua y se alimenta a la sección de reformación, obteniéndose gas reformado, del cual se recupera calor antes de pasar a la sección de compresión. Una vez comprimido, se alimenta a la sección de síntesis de metanol en donde, en presencia de un catalizador, se produce metanol crudo, mediante la reacción de H 2 con CO2 y CO. Posteriormente, el metanol crudo es procesado en la sección de destilación. La sección de destilación consiste en dos torres de destilación atmosféricas. En la primera torre, el metanol crudo es despojado de impurezas tales como alcoholes pesados, parafinas, dimetil-eter, acetona, cetonas, formiato de metilo, y ácido acético, producido simultáneamente en la síntesis de metanol. El producto de fondo de la anterior columna se usa como alimentación a la columna refinadora de metanol C-102. En esta columna se obtiene un metanol a 99% de destilado. Los vapores de metanol purificados que salen por el tope de la columna son condesados en el condensador E-109. El metanol líquido a 60 °C es dividido en dos: una parte es reingresada al tope de la columna como reflujo y el resto es retirado como metanol producto, enfriado hasta 25°C en el enfriador E-110 para finalmente almacenarse en TK-103 como metanol producto.
= 1.5∗í = 0.999
= 0.5038 ℎ
= 0,4014 = 1
= 0.02 3
Se desea diseñar la torre refinadora de metanol C-102 a través del método grafico de McCabe-Thiele para mezclas binarias, indicando el diámetro de la torre, la altura de la torre, el número de platos a utilizar y el diseño detallado de estos.
2. OBTENCIÓN DEL EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR El equilibrio para este sistema se obtuvo a partir de las ecuaciones:
− = − .1 = .2
Donde:
, es la composición molar del compuesto A en el líquido, , es la presión total del sistema (en
ℎ ℎ ),
, es la presión de vapor del compuesto A (en
),
, es el coeficiente de actividad del compuesto A, , es la presión de vapor del compuesto B (en
),
, es el coeficiente de actividad del compuesto B,
, es la composición molar del compuesto A en el vapor.
Los coeficientes de actividad vienen dados por el modelo de Van Laar, el cual comprende las siguientes ecuaciones:
Donde
log = [ ] .3 log = [ ] .4 y
son los coeficientes de interacción binaria.
El proceso de obtención del equilibrio es totalmente iterativo. Primero se deben calcular las temperaturas de ebullición de ambos compuestos a la presión del sistema utilizando la ecuación de Antoine. Luego se establecen varias temperaturas comprendidas entre la temperatura de ebullición del más volátil (metanol) y del menos volátil (agua). Para cada una de las temperaturas seleccionadas se asume una 4
= composición
con el cual se calculan los coeficientes de actividad
4). Una vez obtenidos los coeficientes, se confirma la composición
(ec. 3) y
(ec.
a través de la ec. 1: si
, entonces el proceso iterativo termina; si no es así, se debe
utilizar
como
y volver a hacer el proceso iterativo hasta que se
cumpla la anterior condición. Los resultados de este método iterativo se presentan a continuación: Tabla N° 1: Datos de equilibrio para el sistema metanol-agua a 760 mmHg (modelo real): 65
1,000
68
0,769
0,904
72
0,565
0,818
75
0,398
0,737
79
0,274
0,655
82
0,187
0,570
86
0,126
0,477
89
0,081
0,376
93
0,047
0,263
96
0,021
0,138
100
0,000
0,000
T (°C)
1,000
A continuación, se presentan el diagrama de equilibrio y el diagrama temperaturacomposición:
5
Gráfica N°1: Diagrama de equilibrio Metanol-Agua P = 1atm 1
0.9
0.8
0.7
0.6
A0.5 y
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
xA
6
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Gráfica N° 2: Temperatura-Composición Metanol-Agua P=1atm 105
100
95
90
) C ° 85 ( a r u t a r e p m e 80 T
75
70
65
60 0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
zA,xA,yA
7
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
3. CÁLCULO DE LOS FLUJOS D Y W El flujo D (flujo del destilado) y W (flujo de residuo) se obtienen a partir de los balances de materia, los cuales son:
. = 5 = .6 = − − = − ( 0, 5 038 )0, 4 014−0, 9 99 ℎ = 0,02−0,999 = , = 0,5038−0,3076 ℎ = , Í
Despejando D y W:
Por lo tanto:
4. TRAZADO DE LA RECTAS OPERACIONES Y CÁLCULO DEL
Y
La pendiente de la línea de operación cambiará siempre que pase una alimentación o una corriente lateral. Para calcular este cambio es conveniente introducir una cantidad
. La es la medida de la condición térmica de la alimentación y representa los moles
de líquido saturado que se forman en la etapa de alimentación por mol de material
alimentado. Ahora bien, la línea de alimentaciones es el sitio de intersección de todos los puntos de las dos líneas de operación que se encuentran en la etapa de alimentación o corriente lateral. Según el método McCabe, cuando la alimentación se encuentra en
=
esta liquido saturado la toma el valor de 1, lo cual se traduce gráficamente a una recta vertical desde el punto equilibrio
de la recta
Por otro lado, para calcular el valor de
=
Í
hasta intersectar con la curva de
se emplea la ecuación para la zona de
enriquecimiento, dado el valor de su pendiente. Tomando en consideración únicamente
la fracción del componente en el destilado hasta el punto en que la línea toca el
8
equilibrio, se puede obtener el valor en el eje de ordenadas en que la alimentación presenta su mínimo reflujo. Ese punto viene dado por la siguiente ecuación
= í 1 .7
A continuación, se presenta el anterior trabajo grafico en el diagrama de equilibrio: 1
0.9
0.8
0.7
0.6
A0.5 y
a e n í L
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
xA
Despejando
í 0,999 í = 1 = 0,57 1 = 0,762 í = 1,5∗0,762 = 1,143
Ahora bien, el
de la ec. 7, se tiene que:
es 1,5 veces el
, por lo tanto:
9
0.8
0.9
1
La recta operacional de la zona de enriquecimiento viene dada por la siguiente ecuación:
+ = 1 1 .8 = 1 = 1, 0,1431 999 = 0,466
Sin embargo, para su trazado, solo se utiliza el punto de corte en la ordenada ya que se puede utilizar la composición del destilado en la recta de esta recta:
como uno de los puntos
La recta operacional de la zona de enriquecimiento junto con la línea y la recta operacional de la zona de empobrecimiento se encuentran graficadas en el siguiente diagrama de equilibrio: 1
0.9
0.8
0.7
0.6
A0.5 y
a e n í L
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
xA
10
0.6
0.7
0.8
0.9
1
5. TRAZADO DE LAS ETAPAS IDEALES Y CÁLCULO DE LAS ETAPAS REALES UTILIZANDO LA EFICIENCIA DE MURPHREE El trazado de las etapas ideales consiste en trazar “escalones” por todo el diagrama.
= =
Este método comienza desde la composición del destilado en la recta equilibrio, luego desde este último punto hasta la recta procedimiento hasta alcanzar la composición del residuo.
hasta el
. Se sigue el mismo
A continuación, se muestra las etapas del proceso en el diagrama de equilibrio: 1
0.9
0.8
0.7
0.6
A0.5 y
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
xA
11
0.6
0.7
0.8
0.9
1
La torre posee 14 etapas. Ahora, para obtener el número de etapas reales se utiliza la eficiencia de Murphree. Según el Manual de Diseño para Torre de Fraccionamiento de PDVSA (1997), la eficiencia de Murphree para la destilación binaria de agua y metanol es de 85%, por lo tanto:
= 0.1485 = 16,47 ≈ 17
Siendo el calderín una etapa, entonces se conclu ye que la torre debe poseer 16 platos perforados.
6. FLUJOS MOLARES INTERNOS DE LA TORRE Haciendo un balance en las fases se puede obtener los flujos internos de la torre, tanto de la zona de enriquecimiento como de la zona de agotamiento.
6.1 Zona de enriquecimiento
= 1 = 1,1431 (0,1963 ℎ ) = 0,4206 ℎ = = 1,143(0,1963 ℎ ) = 0,2243 ℎ = = 0,2243 ℎ 1(0,5038 ℎ ) = 0,7282 ℎ = − = 0,7282−0,3076 ℎ = 0,7282 ℎ
6.2 Zona de agotamiento
Como estos son los flujos más altos que presenta la torre, se tomaran las propiedades de esta zona para las demás ecuaciones.
12
6.3 Flujos y propiedades de la zona de agotamiento Las siguientes propiedades de las corrientes en la zona de agotamiento fueron calculadas manualmente. La metodología para el cálculo de estos datos se considera irrelevante, así que se limita a solo presentar los datos necesarios para los próximos cálculos: Tabla N° 2: Flujos parciales y globales en la zona de agotamiento Fase
Liquido Vapor n° m° n° m° v° v° (m³/h) xi xi' (kgmol/h) (kg/h) (kgmol/h) (kg/h) (m³/h) 0,73 13,31 1,34E-02 1,00 1,00 0,42 8,45 12,74
Dato
xi
xi'
Mezcla
1,00
1,00
Metanol 0,02
0,04
0,01
0,47
5,88E-04 0,15 0,24
0,06
2,02
1,91
0,96
0,71
12,85 1,28E-02 0,85 0,76
0,36
6,44
10,83
Agua
0,98
Tabla N° 3: Densidades de los flujos en la zona de agotamiento Propiedad ρ (kg/m³)
Liquido 990,89
Vapor 0,66
7. CALCULO DE LA VELOCIDAD DE INUNDACIÓN DEL GAS Primero se calcula el factor de inundación, que viene dado por la siguiente ecuación:
Donde:
, = ()() .9
, es el factor de inundación,
, es el flujo molar del líquido (en , es el flujo molar del vapor (en
,
,
), , es la densidad del líquido (en ), , es la densidad del vapor (en
Sustituyendo los datos correspondientes, se tiene que:
13
Como
, 0, 6 6 0, 7 3 ℎ = 0,42 ℎ990,89 = 0,026 0,01 < < 0,1 = 0,1 = ( −), .10 , entonces el coeficiente de inundación es
. Ahora
para calcular la velocidad de inundación del gas se tiene la siguiente ecuación:
Donde:
, es la velocidad de inundación del gas (en ),
Sustituyendo los datos correspondientes, se obtiene la velocidad de inundación del gas:
, 990, 8 9 − 0, 6 6 = 0,1 0,66 = 3,86 = 0,8(3,86 ) = 3,09
Sin embargo, se desea trabajar a 0,8 veces la velocidad del gas de inundación:
8. ÁREA NETA Y ÁREA DEL PLATO El área neta se obtiene a través del caudal del gas y la velocidad del gas:
( 0, 1 25 ) = = (3,09 ) = 0,04 0 , 0 4 = 1−0,12 = 1−0,12 = 0,046
El área del vertedero será 12% el área del plato, por lo que el resto es el área del plato, es decir que:
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9. CALCULO DEL DIÁMETRO Y ALTURA DE LA COLUMNA Para el diámetro de la columna se emplea le ecuación del área de un circulo. Despejando diámetro:
4 ∗ 4 ∗ 0, 0 46 √ √ = = = 0,242 = 2,9 = 3" = −1 3,5 .11
Ahora, para obtener la altura de la torre se utiliza la siguiente ecuación: Donde:
, altura de la torre (en m),
, espeaciamiento entre platos (en m)
Por criterios de diseños, para torres con diámetros menores a 4” se recomienda una
separación entre platos de 20in (0,50 m).
= 0,50 16−13,5 = 12
15
