DISEÑO MECÁNICO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION DE PLATOS Función del recipiente: la columna de destilación se encarga de separar la corriente de anhídrido ftálico y maléico que provienen del reactor, aprovechando los puntos de ebullición de cada componente los cuales son de 295°C para el anhídrido ftálico y de 202°C para el anhídrido maléico. Para propiciar dicha separación se usa una columna de platos con 7 etapas, las cuales permiten una concentración en los fondos fondos de anhídrido ftálico de 99,5% en peso. La columna es alimentada en la cuarta etapa ya que favorece a que la carga del co ndensador sea la mínima,
además de propiciar propiciar un reflujo considerable en las etapas posteriores debido a la
expansión del gas. El reflujo óptimo calculado para que se presente dicha separación además de permitir las tasas de producción diaria es de 3,32. La columna no presenta caída considerable de la presión a través de ella; y el 85,4% del total alimento a la c olumna sale por la corriente de fondos. El tipo de plato a utilizar es el conocido como plato Sieve o plato perforado, y este fue seleccionado ya que la volatilidad relativa entre los dos componentes es muy alta, lo que en hechos se puede interpretar como una fácil separación de los mismos.
Condiciones del servicio: la columna de destilación no opera sola, para cumplir con su labor de separación de componentes a partir del aprovechamiento de los puntos de ebullición, esta columna cuenta con dos equipos adicionales los cuales se encargan de retirar el calor de la corriente de salida de la cima, conocido como condensador y otro que se encarga de suplir de calor para que se dé la vaporización del componente volátil, unidad conocida como rehervidor. Las condiciones de servicio para estos equipos están especificadas en el diseño mecánico de cada uno.
Código de diseño: el diseño de la columna de destilación se hizo bajo la norma ASME, Sección VIII, División 1; la sección VIII abarca los diseños de recipientes sometidos a presión, provee los requerimientos para el diseño, inspección y certificación de recipientes a presión. Está compuesto por tres divisiones.
Tabla 1. Datos para el diseño mecánico de la columna DATOS DEL RECIPIENTE Material Material del Cuerpo
Material Material de las Cabezas
SA-515-55
SA-515-55
Presion hidroestática (psi)
Pp
67,05
Diámetro interior (in)
D i nt
23,62
Radio interior (in)
R int
11,81
Presión de operación (psi)
Po
14,7
Temperatura de operación (°F)
To
421
Presión de diseño
P
44,7
Temperatura de diseño
T
463,1
Tolerancia a la corrosión
C.A
0,125
Eficiencia de soldadura
E
1
Esfuerzo a la tension del material material
S
13800
Material del cuerpo: de acuerdo a las condiciones de operación de la columna de destilación, los esfuerzos a los que será sometida y la disponibilidad de los mismos para la fabricación del equipo se ha seleccionado el acero al c arbón Grado 55, de la norma ASTM 51 5.
Material de las cabezas: al igual que el cuerpo de la columna, las cabezas no serán sometidas a presiones fuertes, mientras que si alcanzaran temperaturas considerables, temperaturas que se encuentran en el rango en el rango de -100 a 600°C, con módulos de elasticidad desde 164 a 217 GPa, haciendo del acero al carbón S A-515-55 recomendable para elaborar dichas cabezas.
Tolerancia a la corrosión: ya que se está trabajando con sustancia corrosivas como son el anhídrido ftálico y el anhídrido maléico, es necesario disponer de un margen de corrosión, para ese caso será de 1/8”. Tanto el anhídrido ftálico como maléico esta categorizados como UN 2214 Y UN 2215 [Corrosivo] y en contacto con agua su poder corrosivo es aún mayor, corroe el metal y la piel. Los demás datos necesarios del material se encuentran reportados en la tabla 1. Como son eficiencia de soldadura, el esfuerzo a la t ensión del material y demás. Como parte de los datos necesarios para iniciar el diseño mec ánico de la columna de destilación se dispone de la geometría y otros datos del diseño térmico de la columna reportados en la tabla 2.
Vida Útil (años) 10
Tabla 2. Datos del preliminar y el diseño térmico. Geometría Longitud (m)
Diámetro interno (m)
Volumen (m3)
Elevación (m)
Cuerpo
5,16
0,6
1,37
0,9
Cilíndrico
Localización de Boquillas (desde el suelo) Boquilla de Boquilla de Boquilla de alimento (m) cima Fondos 3,62
Zona
Temperatura de operación (°C)
Cima
203,6
5,75
1
Condiciones de Operación Temperatura Presión de de Diseño (°C) operación (bar) 342,2
Media
Tipo de Cabeza Superior Inferior Elíptica
Elíptica
Material Presión de diseño (bar)
Acero al carbono SA 515-55
1,0132
1,0134
Tolerancia por corrosión
1,0132
1,0134
1/16 "
Fondos
282,4
421,3
1,0132
1,0134
Aislamiento
Sustancia
Corrosividad del fluido
Corrosividad del ambiente
Velocidad del viento (km/h)
Probabilida d de sismos
1"
Anhídrido Ftálico Anhídrido Maléico
UN 2214 [Corrosive] UN 2215 [Corrosive]
8
Baja intensidad
Recubrimient o antifuego 1"
MEMORIA DE CÁLCULO
Determinación de la presión de diseño (P):
El valor de la presión que se emplea para el diseño mecánico de las partes que constituyen la columna de destilación está dado por la siguiente ecuación: 2
Si la presión de operación es menor a 300 lb/pulg , como es en este caso entonces:
Donde Po es la presión de operación de la columna de destilación.
Determinación de la presión de prueba hidrostática (Pp):
Se cuantifica por medio de la siguiente ec uación:
Dónde: P: presión de diseño Sta: esfuerzo a la tensión del m aterial a la temperatura ambiente Std: esfuerzo a la tensión del material a la temperatura de diseño
Determinación de la temperatura de diseño: Esta temperatura se conoce como la temperatura máxima o mínima a la cual puede alcanzar el equipo en condiciones extremas.
Donde To corresponde a la temperatura de operación de la columna, la cual se asumirá como la temperatura de ebullición del anhídrido ftálico.
Determinación de la soldadura ( E)
Para los recipientes que son unidos a través de dos casquetes que no poseen costuras longitudinales, el valor de eficiencia de soldadura será de 1. Para recipientes de tres piezas unidas por soldaduras, en este caso dos casquetes y un sección cilíndrica, la eficiencia de la soldadura está dada por la t abla 3.
Tabla 3. Eficiencia de soldadura por revisión
Revisión
Porcentaje Eficiencia (E)
Totalmente Radiografiada
90%
1
Parcialmente Radiografiada
80%
0,8
Sin Radiografía
70%
0,7
Calculo del espesor del recipiente
Calculo de la Cabeza Semieliptica:
Diámetro exterior:
CALCULO DEL PESO DEL RECIPIENTE
Casco: Para determinar el peso del cilindro es necesario acudir al apéndice A, el cual suministra el valor del peso por cada pie y de acuerdo al espesor y diámetro se tiene que:
El valor L se define como la longitud límite que debería tener la columna de destilación, se calcula de la siguiente manera, Llim=2,5(D).
Cabezas: De la misma manera que se determinó el peso del recipiente o casco se realiza el cálculo del peso de las tapas, para esto es necesario hallar a partir del apéndice A y con el diámetro del recipiente y el espesor de pared el peso de la lámina.
Peso total del recipiente el peso total del recipiente está dado por la suma del peso del casco con el peso de las dos cabezas, entonces el peso total del recipiente vacío es:
Peso del recipiente lleno de agua Casco: para determinar el peso del cilindro lleno de agua, se hace uso de los datos
consignados en el apéndice B, donde se reporta el valor del volumen del casco conociendo el diámetro interno del recipiente y el tipo de casco empleado. Por lo tanto el peso del casco lleno de agua es:
Cabezas: el cálculo se realiza de manera similar con ayuda del apéndice D.
Peso total lleno de agua:
Peso total del recipiente
Peso del recipiente bajo Normas
CÁLCULO DE LAS BOQUILLAS La siguiente tabla de datos de las boquillas se toma del apéndice C.
Tabla 4. Boquillas empleadas en la columna de destilación BOQUILLAS Diámetro Diámetro t tubo (in) Servicio Exterior (in) Interior (in)
B-N°
Diámetro nominal
N-1
4" NOM. CED 40 4" NOM. CED 40 4" NOM. CED 40 3/4" NOM. CED 40 3/4" NOM. CED 40 3/4" NOM. CED 40 3/4" NOM. CED 40 8" NOM. CED 40
N-2 N-3 N-4 N-5 N-6 N-7 N-8
4,5
4,026
0,237
Entrada AnF+AnM
4,5
4,026
0,237
Salida Destilado (AnM)
4,5
4,026
0,237
Salida Fondos (AnF)
1,05
0,824
0,113
Indicador de presión Cima
1,05
0,824
0,113
1,05
0,824
0,113
1,05
0,824
0,113
8,625
7,981
0,332
Indicador de temperatura Cima Indicador de presión Fondos Indicador de temperatura Fondos Abertura Fondos
Por norma las boquillas menores de 3 pulgadas solo llevan refuerzos de apertura. El material de construcción del tubo de las boquillas es SA-53-B y el material del recipiente será de SA-285-C cada uno con un esfuerzo a la tensión de 17100 psi y 15700 psi respectivamente. Ahora se procede a calcular el espesor del recipiente con base e n la siguiente ecuación:
Área de refuerzo requerida: la cual es la mínima área requerida para el refuerzo de la boquilla, está dado por la siguiente ecuación:
Área de refuerzo disponible: para determinar dicha área es necesario calcular el área de exceso en el recipiente con las siguientes formulas y se toma el área que de mayor:
* Después se calcula el área de exceso en la boquilla y de los dos valores calculados se toma el valor menor:
Proyección hacia el interior: es la distancia que se requiere como mínimo al interior del recipiente para usarse como base para la soldadura interna de la boquilla.
{
Área de proyección hacia el interior: área que se requiere como mínima al interior del recipiente como base de la soldadura interna de la boquilla.
Área de soldadura exterior: área mínima requerida para la soldadura externa de la boquilla, está dado por la siguiente ecuación:
( ) ( )
Área de soldadura interior: se calcula de igual manera a través de la ecuación 20. Por lo tanto el área de soldadura interior es el mismo.
Área total disponible: área total disponible de refuerzo.
Área de refuerzo necesario:
∑
Lo siguiente a determinar es la base del refuerzo, la cual es la distancia utilizada en la unión del refuerzo y el recipiente, en el anillo del refuerzo, esta base se determina de la siguiente manera:
Diámetro interior del anillo: es el diámetro interno del anillo de refuerzo más el margen de corrosión:
Diámetro exterior del anillo: diámetro externo del anillo de refuerzo más el margen de corrosión.
CÁLCULO DE FALDON Para el cálculo del faldón es necesario especificar algunos datos, los cuales se encuentra consignados en la tabla 5.
Tabla 5. Características del material empleado en el faldón. FALDÓN SA-36 Material 18000 S (psi) 25555,54 W total ASME (lb) 0,85 E (Spot) 23,62 D int (in) 202,80 H (in)
A continuación se muestra las ecuaciones empleadas para el cálculo del faldón, estas siguen el orden en el cual se determinaron las características propias del faldón, estas son:
Cálculo del espesor por peso propio
Presión del viento: para determinar la presión del viento, es necesario conocer la
velocidad del viento en el lugar donde será instalada la columna, la cual es Cartagena, y cuya velocidad del viento promedio es de 62,14 mph; por lo tanto la presión del viento es:
Fuerza de corte producida por el viento: determina el esfuerzo cortante al cual es sometido el faldón, su valor está dado por la siguiente formula:
Calculo del h1 del faldón, para determinar el momento de producido por el viento;
Momento producido por el viento:
Espesor requerido por el viento:
Ahora es necesario determinar los valores del espesor debido a los sismos, para esto, se necesita de la siguiente información consignada en la tabla 6 .
Tabla 6. Datos sísmicos de la ciudad de Cartagena A Zona sísmica II Tipo de suelo 0,2 C
Fuerza cortante por sismo:
Momento producido por sismo:
Espesor requerido por sismo:
Y como todos los espesores son menores al e spesor establecido para el faldón el cual es de ¼” entonces la condición de elección de espesor es c orrecta y el faldón soportara todos los esfuerzos a los cuales será sometido.
CALCULOS DE CIMENTACIÓN Los cálculos de cimentación se realizaron a partir de las formulas consignadas en el apéndice D, los resultados se encuentran en la tabla 7.
Tabla 7. Resultados de la cimentación CÁLCULO DE CIMENTACIÓN Carga total P total (lb)
5335,9306
Área de cimentación requerida A CIM plg2
981,7719595
Longitud de la base L (ft) Vuelo (ft)
2,610267687 0,805133844
Esfuerzo flexionante W (lb/ft2)
783,1412104
Momento flexionante M (lb-ft)
253,8319273
Peralte D (cm)
1,506340155
Peralte Total d total (ft)
0,258841218
Vuelo peralte Total D' (ft)
0,546292626
Cálculo del cortante V' (lb)
427,824268
Esfuerzo cortante lineal V' (lb/ft2)
16,5284444
Área de acero por flexión AS (ft2)
0,000392122
Número de varillas N°
1,152358531
Separación de varillas Sep (cm)
50
Área de acero por temperatura At N° Var
0,00285194 2,092100662
Separación entre varillas Separación (ft)
0,870089229
