Manual Práctico de Destilación en PRO/II

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” COMPLEJO ACADÉMICO “EL SABINO” ÁREA DE TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA

MANUAL PRÁCTICO PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE MASA EN COLUMNAS DE DESTILACIÓN MEDIANTE EL SIMULADOR PRO/II

AUTOR: AXLEY PÉREZ, Br.

PUNTO FIJO, ABRIL DE 2015

ÍNDICE

Título

Pág.

Introducción………………………………………………………………..

1

Aspectos preliminares preliminares sobre la simulación simulación de procesos procesos de transferencia de masa con PRO/II ………………………………............ Ejemplo práctico N° 1.

Determinación de la relación de

Shortcut:

reflujo mínimo (Rmín)…………………………………………………….. Ejemplo práctico N° 2.

2

Shortcut

y

Distillation:

14

Determinación del

número mínimo de etapas (Nmín) y localización del plato óptimo de alimentación ……………………………………………………………….. Ejemplo práctico N° 3.

Distillation:

22

Dimensionamiento de una

columna de destilación (Diámetro y altura) ……………………………..

31

Caso Extra………………………………………………………………… ..

37

ÍNDICE

Título

Pág.

Introducción………………………………………………………………..

1

Aspectos preliminares preliminares sobre la simulación simulación de procesos procesos de transferencia de masa con PRO/II ………………………………............ Ejemplo práctico N° 1.

Determinación de la relación de

Shortcut:

reflujo mínimo (Rmín)…………………………………………………….. Ejemplo práctico N° 2.

2

Shortcut

y

Distillation:

14

Determinación del

número mínimo de etapas (Nmín) y localización del plato óptimo de alimentación ……………………………………………………………….. Ejemplo práctico N° 3.

Distillation:

22

Dimensionamiento de una

columna de destilación (Diámetro y altura) ……………………………..

31

Caso Extra………………………………………………………………… ..

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1

INTRODUCCIÓN En el siguiente manual práctico se compila una serie de ejercicios aplicados al área de los procesos de transferencia de masa, específicamente a procesos de destilación de multicomponentes, con el propósito de brindar a los estudiantes de ingeniería química del Complejo Académico El Sabino que cursan la unidad curricular Diseño de Plantas y no posean nociones básicas acerca del uso del simulador de procesos químicos PRO/II, una herramienta de iniciación al uso del simulador, orientado a la realización de simulaciones de los procesos de transferencia con mayor relevancia en el campo de los procesos químicos: la destilación. “

”

El manual consta de una sección de aspectos preliminares en la cual quedan cubiertos los aspectos básicos del simulador, versión 8.0, desde las ventanas de bienvenida del mismo, uso de las barras de menú y herramientas, principales botones, la selección de componentes, método termodinámico, entre otros aspectos competentes a una simulación genérica. A su vez, se incluye un flujograma que especifica los pasos a seguir para realizar las simulaciones mediante PRO/II y también un algoritmo sobre la selección del método termodinámico contemplado en el libro Simulación de Procesos en Ingeniería Química por Martínez Sinfuentes y colaboradores. “

”

En el manual práctico están contemplados tres casos de estudio que engloban las nociones de vital importancia y las acciones fundamentales a seguir para el desarrollo exitoso de una simulación de columnas de destilación. A su vez, las incógnitas de cada caso corresponden a parámetros de vital importancia en la simulación de procesos de destilación, tales como, la determinación de la relación de relujo mínimo, el número mínimo de etapas, el plato óptimo de alimentación y el dimensionamiento de las columnas. Todas estas variables cruciales en el desarrollo de cualquier proyecto de simulación que involucre este tipo de procesos. Es de mi total agrado ser partícipe del desarrollo de este manual práctico, con el cual, es de esperar que se incentive el estudiantado hacia el área de la simulación de procesos siendo ésta de vital importancia actualmente en todos los campos de la ingeniería de procesos. A su vez, que este material sirva para el entusiasmo de realizar otros manuales que contemplen módulos de simulación ofrecidos por PRO/II, como procesos reactivos y de transferencia de calor, con el propósito de brindar cada vez más material al alcance de sus manos a las nuevas generaciones del Complejo Académico El Sabino . “

”

Axley Pérez, Abril de 2015.

Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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ASPECTOS PRELIMINARES SOBRE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE MASA CON PRO/II. Más allá de la aplicación práctica del problema que se quiera solventar mediante el uso del simulador PRO/II, es importante y totalmente necesario conocer los aspectos teóricos fundamentales del proceso en sí, desde los que se trabajan en este manual práctico (destilación), hasta aplicaciones de reactores, bombas, compresores y otros equipos que ofrezca el simulador. Es de vital relevancia para evitar incongruencias entre los fundamentos teóricos de la naturaleza del proceso en estudio y los valores inherentes al mismo que son introducidos al simulador. En cuanto a la orientación de este manual práctico, es necesario conocer algunos aspectos fundamentales preliminares del simulador PRO/II para poder realizar las simulaciones de forma exitosa. Antes de realizar una simulación de cualquier proceso en general, es necesario, por obvio que parezca, saber acceder al simulador, es decir, saber afrontar el primer encuentro con la interfaz gráfica del simulador de procesos. La siguiente imagen nos muestra el inicio del programa.

Figura 1. Interfaz gráfica de inicio del simulador PRO/II.

Puede observarse que la interfaz gráfica muestra la pantalla principal del simulador con un recuadro en el centro. Es de importancia, sea el propósito cualquiera por el cual se haga uso del simulador, conocer a cabalidad qué representa el recuadro ubicado en el medio de la pantalla principal. En él se encontrará primordialmente una barra de colores implementada Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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por el simulador para la introducción de los datos inherentes a la simulación que se vaya a desarrollar. El color rojo representa que un campo determinado requiere la información de entrada con carácter obligatorio para proseguir con el desarrollo de la simulación. Una vez introducido ese valor, el campo se tornará azul, representando que el dato de entrada para una variable específica ha sido introducido exitosamente. Por otro lado, si al ingresar un valor en un campo específico que lo requiera, es decir, que esté recubierto de color rojo, éste se torna de color amarillo, representa que el dato de entrada ingresado está fuera del rango permitido para la variable especificada. Esto puede ser útil para identificar problemas como los mencionados en el primer párrafo de este ítem en donde los valores introducidos difieren con valores propios de la naturaleza del proceso. Por último, los campos recubiertos en color verde representan aquellas variables del proceso predeterminadas, y de cierto modo, sin necesidad de especificar, sin embargo, existen excepciones que se discutirán más adelante que muestran casos en donde una variable en específico se encuentra en un campo predeterminado y es necesario modificarla a las condiciones del proceso en estudio. Una vez interpretado correctamente el recuadro de inicio, es posible ingresar al simulador de una forma más segura en cuanto a la precisión de nuestra introducción de datos al proceso en estudio.

Figura 2. Cuadro de bienvenida de PRO/II.


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Una vez que se ha accedido a la ventana principal del simulador, la misma se verá de la siguiente forma:

Abrir una simulación existente Crear una nueva simulación

Figur a 3. Página principal del simulador.

Para comenzar a ejecutar el simulador PRO/II en un nuevo proyecto, se debe acceder al ícono New, representado por una hoja en blanco en la barra de herramientas. Luego de ello, se activará por completo la gama de íconos disponibles. En la siguiente figura se muestran las barras de identificación, menú y herramientas que conforman la ventana principal de PRO/II. Barra de identificación Barra de menú

Barra de herramientas

Figura 4. Principales barras de acceso de la ventana principal de PRO/II.

Es conveniente que el usuario se familiarice con los nombres de las distintas barras, debido a que a lo largo del manual se hará referencia a los íconos ubicados en dichas barras. De la misma forma, si el usuario desea dirigirse a los manuales de referencia de PRO/II, el Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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conocimiento y uso adecuado de la terminología utilizada facilitará la comprensión del mismo. En la figura mostrada a continuación, se indican los principales botones utilizados para comenzar a realizar una simulación de manera general. Thermodynamic Data

Component Selection

Save PFD Palette

Units Of Measure

Run

Generate Text Report

Figura 5. Principales botones de acceso de la barra de herramientas de la ventana principal de PRO/II. 

Save: Este botón es la ruta de acceso más directa para guardar una nueva simulación. Otra ruta de acceso para el mismo fin es a través del menú File, ubicado a la izquierda de la barra de menú, en el cual se ubican las opciones Save y Save As.

De cualquier forma, la nueva simulación puede ser guardada con éxito en la ruta de ubicación mostrada en la barra superior de la nueva ventana. En la siguiente figura (figura 6) se muestra la ventana correspondiente al procedimiento de guardado directo. En la figura 7 se muestra el menú desplegable a través de la opción File.

Figura 6. Ventana de la opción directa de guardado.


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Figura 7. Ventana de la opción de guardado a través del menú File.

Nota: cabe recomendar, que el nombre que se le asigne a las simulaciones debe ser corto, evitando el uso de diversos caracteres especiales y sin espacios. Se puede separar una palabra de otra haciendo uso de guion o guion bajo, con la finalidad de evitar que las simulaciones tiendan a corromperse. (Por ejemplo: Prueba_1). 

PFD Palette: Con este botón se accede a la paleta de menú de los equipos e

instrumentos disponibles en PRO/II, así como también al uso de las corrientes o líneas de proceso. Entre los principales equipos e instrumentos destacan columnas de destilación (Distillation), columnas de estimados iniciales ( Shortcut ), pumparounds (Side Column), equipos de mezclado ( Mixer ), intercambiadores de calor simples y rigurosos, hornos y enfriadores por aire ( Simple HX, Rigorous HX, Fired Heater, Air Cooled HX ), compresores (Compressor ), bombas (Pump), válvulas ( Valve), controladores (Controller ), calculadoras (Calculator ), reactores, entre otros. La paleta cuenta con una barra de desplazamiento que permite al usuario deslizarse para tener acceso al resto de los equipos e instrumentos. A continuación, se presenta la figura 8, la cual muestra el PFD Palette y algunos de los equipos e instrumentos disponibles.


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PFD Palette

Figura 8. Herramienta de acceso a los equipos e instrumentos disponibles en PRO/II. Constru cción del diagrama de flujos del proceso

Para realizar el diagrama de flujo del proceso se debe arrastrar la unidad seleccionada en la paleta de equipos e instrumentos al ambiente de trabajo. Las corrientes de alimentación, productos o conexiones entre equipos se realizan con las corrientes. Para ello, se debe activar la opción Streams de la paleta de equipos e instrumentos, que se encuentra en la parte superior de la paleta, enmarcada en color rojo en la figura 9. Al activar esta opción, se activan a su vez, todos los puntos de la unidad ya arrastrada al ambiente de trabajo en los que se puede realizar la conexión de una corriente. Estos puntos también son resaltados en color rojo. Debe conectarse la raíz de la corriente al equipo, se arrastra y se suelta el extremo en el lugar deseado, sea una corriente de producto final o la entrada a otro equipo. La figura 9 ilustra lo explicado.


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Figur a 9. Conexión de líneas de proceso a los equipos en PRO/II.



Units Of Measure: Esta herramienta es la que permite al usuario adaptar el sistema

de unidades que se utilizará en la simulación al sistema de unidades que se disponga en el caso práctico, asimismo, se modifican las unidades de medición en las que se desea que sean mostrados los resultados de la simulación (reporte de resultados). Como se observa en la figura 10, es posible modificar las unidades de todas las propiedades o variables de operación que maneja el simulador.


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Figu ra 10. Ventana de modificación del sistema de unidades.

Con fines prácticos, y para evitar modificar todas las unidades de medición en cada simulación que se realice, es posible configurar rápidamente el sistema de unidades genérico de la simulación, es decir, si todos los datos que se poseen se encuentran en el sistema métrico inglés o en el sistema internacional. Si la mayoría de los datos se encuentran en un sistema métrico establecido y sólo algunas variables o especificaciones están en un sistema distinto, se escoge como sistema predefinido aquel en el cual se tenga la mayoría de unidades, y sólo se modifica la minoría de parámetros que se tengan en un sistema distinto. Lo anterior se realiza a través del botón Initialize from UOM Library mostrado en el recuadro rojo de la figura 10. Al abrir esta opción se accede a la ventana mostrada en la figura 11.

Figura 11. Initialize from UOM Library. 

Com pon ent Selection: Como se muestra en el flujograma secuencial de la figura 15,

uno de los pasos básicos para la realización de una simulación es seleccionar los compuestos químicos involucrados. Es relevante acotar que en los procesos reactivos se debe conocer, además de los compuestos reactivos, los productos de dichas reacciones. Debido a que en el simulador PRO/II se debe introducir todos los compuestos involucrados, tanto los que existen al iniciar un determinado proceso, Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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como aquellos que se generan a través del mismo. La selección se realiza a través de la opción Component Selection, ubicada en la barra de herramientas. La figura 12 muestra la ventana correspondiente.

Figu ra 12. Selección de los componentes.

Al abrir esta opción, se observa que se muestran distintas formas de seleccionar los componentes. Las opciones más utilizadas a nivel académico e industrial son Select from lists y Petroleum Components. La opción Select from lists es la que se utiliza cuando se conoce el nombre, fórmula molecular o fórmula estructural de las sustancias involucradas. Esta opción permite acceder a los distintos bancos de componentes que posee PRO/II en función a la clasificación de los componentes y a la naturaleza del proceso químico a simular (refinación de petróleo, hidrocarburos ligeros, purificación de gases, procesos ácidos, procesos que involucran solamente hidrocarburos aromáticos, endulzamiento con aminas, entre otros). La opción Petroleum Components se utiliza en casos en los que se trabaje con cortes de petróleo y no se disponga de los componentes individuales que lo conforman, para lo cual, se requiere conocer la curva de destilación de dicho corte de crudo. 

Thermod ynamic Data: A través de esta opción es posible seleccionar el método

termodinámico a utilizar en la simulación. Es de vital importancia conocer el proceso que se va a simular para determinar el método termodinámico que mejor reproduzca los resultados del mismo. Esta selección se realiza con ayuda de algoritmos de selección de métodos termodinámicos disponibles en la bibliografía, que consideran la naturaleza de los componentes y del sistema (como la polaridad, electrolitos, tendencia a la idealidad, entre otros) y condiciones del proceso (presión, y tipo de proceso de separación). La figura 13 muestra la ventana de selección del método al Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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activar la opción Most Commonly Used. A modo de ejemplo se seleccionó el método termodinámico Soave Redlich Kwong, abreviado como SRK . A su vez, la figura 14 muestra un flujograma para la selección del método termodinámico.

Figura 13. Ventana de selección del método termodinámico.

En cuanto a la finalidad y a la orientación de este manual práctico, debe señalarse que los aspectos preliminares corresponderán meramente a la simulación de procesos de destilación, la cual, para efectos del simulador PRO/II, cuenta con dos módulos de resolución: el método riguroso (Distillation) y el método de estimados iniciales ( Shortcut). La aplicabilidad de estos métodos está basada en un complemento entre los mismos. Cuando no se dispone de datos suficientes para realizar una simulación a través del módulo Distillation, es posible obtener un estimado inicial de esos datos realizando el Shortcut correspondiente. Por ejemplo, si en un determinado caso no se dispone del número de etapas teóricas (dato que se requiere para realizar la simulación con Distillation), se recurre a la realización del Shortcut , el cual da como resultado un estimado del número mínimo de etapas teóricas que requiere el proceso para obtener la separación deseada, con este resultado se comienza un proceso iterativo en el módulo Distillation hasta obtener un número de etapas que cumpla con las especificaciones de pureza deseadas y al menor costo energético posible, por lo general, se utiliza un número de etapas teóricas correspondiente al doble del número de etapas mínimas, como punto de partida al proceso iterativo, valor establecido por los métodos y normas utilizadas en el diseño de columnas de destilación. El Shortcut brinda, además, información de vital importancia, como la relación de reflujo mínimo, la condición térmica de la alimentación y un estimado de la distribución de los componentes, entre otros aspectos.


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Figura 14. Algoritmo de selección del método termodinámico.


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A b r i r u n a n u e v a s i m u l a c i ón

A s i g n a r u n n o m b r e a l a s im u l a c i ó n

Definir el sistema de unid ades a utilizar

S e le c c i o n a r l o s c o m p o n e n t e s involucrados en el proceso a simular

Selec cio nar el m é to do ter m od in ám ic o que m ejor se adapte al sistema de componentes

Realizar el diagrama de flujo de pr oceso d e l m o d e l o d e s i m u l a c i ón c o n s u s co nex ion es y líneas d e pro ces o

E s p e c i f i c ar y a s i g n a r l as c o n d i c i o n e s de operación a las corrien tes y los equipos e instrumentos seleccionados

Generar el reporte de resultado s e i n t e r p r e ta r l o s m i s m o s

Guardar y correr la simulación

Figura 15. Flujograma secuencial del procedimiento general para realizar una nueva simulación.


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Ejemplo práctico N° 1. S h o r t c u t : Determinación de la relación de reflujo mínimo (Rmín) Se va a fraccionar la siguiente alimentación a 180 °F y 150 Lb f / in 2 para que a esa presión el destilado en forma de vapor contenga 98 % de propano y únicamente 1 % de pentano. Determine la relación de reflujo mínimo (Rmín), para 1 Kmol de alimentación. Componente Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Fracción Mol

0.03

0.07

0.15

0.33

0.30

0.12

(Ejemp lo 9.13, Robert Treyb al) SOL UCIÓN:

Se deberá seguir los pasos instructivos mostrados en el flujograma secuencial de la sección de aspectos preliminares a la simulación de procesos. Luego de asignar un nombre a la nueva simulación, se considera el sistema de unidades a utilizar. En este caso particular, los parámetros temperatura y presión se encuentran el sistema métrico inglés, coincidiendo con el sistema predefinido de PRO/II, por lo cual, no es necesario realizar cambios. Por otro lado, como se observa en la tabla mostrada, los componentes del proceso son hidrocarburos livianos, por lo tanto, es recomendable su selección mediante la lista Hydrocarbon Lightends, accediendo a través de la opción Select from Lists, (Véase figura 16). A continuación, se muestran los componentes seleccionados.

Figura 16. Selección de componentes, ejemplo práctico N° 1.


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El siguiente paso para realizar la simulación es escoger el método termodinámico, siguiendo la recomendación de selección del método termodinámico mostrada en la figura 14. En la siguiente figura se presenta la selección del método SRK para este ejemplo práctico.

Figura 17. Selección del método termodinámico, ejemplo práctico N° 1.

Una vez cubiertos los aspectos anteriores, se procede a armar el modelo de la simulación. Como se mencionó en el apartado de Aspectos Preliminares, el módulo de PRO/II que permite la determinación de la relación de reflujo mínimo es el Shortcut. La siguiente imagen muestra la selección del Shortcut en la PFD Palette y la activación de la opción de selección de las líneas de proceso.


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Figu ra 18. Selección del Shortcut y activación de la opción de líneas de proceso, ejemplo práctico N° 1.

Al seleccionar la opción del Shortcut , se arrastra el mismo hacia el espacio de trabajo de PRO/II, y se hacen las conexiones de las corrientes correspondientes al mismo. Es recomendable realizar un modelo de simulación que más se ajuste a la realidad, no sólo en resultados del proceso, sino en el aspecto físico del mismo. Es decir, cuando se realiza una simulación que requiere el uso de varios equipos o instrumentos, lo correcto es organizarlos en el ambiente de trabajo de PRO/II de forma secuencial, conforme se lleve a cabo el proceso, de izquierda a derecha. Lo mismo aplica para las líneas de proceso. En la figura 19 se muestra el resultado del modelo de simulación, luego de realizar las conexiones correspondientes y seleccionar el uso de condensador y rehervidor requerido por el Shortcut.


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Figura 19. Modelo de simulación del ejemplo práctico N° 1.

Luego de construir el modelo de simulación se procede a la especificación de la corriente de alimentación y del equipo. Para ello, se selecciona la corriente de alimentación ( S1), y en la sección Stream Type, se selecciona la opción Composition Defined , debido a que se conoce la composición molar de la mezcla de multicomponentes a procesar y se introducen todos los parámetros requeridos por el simulador. La figura 20 muestra la introducción de los datos de presión y temperatura de la corriente S1 (Feed ).

Figu ra 20. Introducción de datos de presión y temperatura de la alimentación, ejemplo práctico N° 1.


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Ahora se debe introducir los datos de flujo y composición de la alimentación, s eleccionando la opción Flowrate and Composition, resaltada en la figura anterior. En este caso específico se conoce el flujo total de la corriente y la composición molar de la misma, por lo tanto, se selecciona la opción Total Fluid Flowrate , se introduce el valor de la carga de alimentación y la composición, verificando que en la parte superior de la columna de composiciones, las mismas sean molares, y no másicas o volumétricas. A continuación, se muestra la figura 21, la cual muestra la ventana en la que se introducen los datos anteriores.

Figura 21. Introducción de datos de flujo y composición de la alimentación, ejemplo práctico N° 1.

Luego de especificar la corriente de alimentación, el siguiente paso es especificar el equipo . Para esto, se selecciona el Shortcut ; al abrirse la ventana Shortcut Distillation se muestran algunos campos obligatorios. La primera especificación es Minimun Reflux, al abrir esta ventana se debe activar la opción Perform Minimun Reflux Calculation, con la finalidad de introducir los componentes clave del sistema (propano y pentano). La segunda especificación es el grado de separación deseado, que, según el enunciado del ejercicio, se desea recuperar en el tope el 98 % de propano y sólo 1 % de pentano. La ventana Specifications muestra la fórmula que utiliza el simulador para definir las especificaciones del equipo. La fórmula contempla del lado izquierdo de la ecuación el parámetro a especificar (Parameter), y del lado derecho el valor de la especificación (Value). Para efectos del ejemplo en cuestión, la especificación (Parameter) es la recuperación de propano en el tope y la recuperación implícita de pentano en el fondo, el valor (Value) sería 98 % y 99 %, respectivamente. Para llevar estas especificaciones al lenguaje del simulador, se debe entrar en la opción Parameter , que se encuentra en color rojo, en la opción Stream/Unit, se selecciona Stream y en la opción Stream Name se selecciona S2 , seguidamente se activa en la parte inferior el Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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parámetro Parameter , al ingresar en dicho parámetro se muestra la ventana representada por la figura 22, mostrada a continuación:

Figu ra 22. Selección de los parámetros de especificación, ejemplo práctico N° 1.

Como se observa en la figura, y atendiendo a la definición de recuperación, se ha seleccionado la opción Flowrate Selected Components Propane, al cerrar la ventana se debe seleccionar el operador de división (/) en el signo de igualdad (=), para especificar que el término inferior de la ecuación corresponde al propano contenido en la alimentación, se realiza el mismo procedimiento, la diferencia es que en este caso en la opción Stream Name se selecciona S1. Para realizar la especificación del fondo de la columna se procede de forma análoga. La idea general es declarar la especificación de que en el tope de la columna se desea obtener el 98 % del propano contenido en la alimentación, y en el fondo el 99 % del pentano contenido en la alimentación. En la figura 23 se muestra el resultado de las especificaciones bajo el procedimiento descrito. ⇾

⇾

Figura 23. Especificaciones del ejemplo práctico N° 1.


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La tercera especificación lleva el nombre de Products. Al abrir esta opción se observa que el campo obligatorio es la estimación del flujo de alguna de las corrientes de producto del Shortcut (S2 o S3). Se escogió realizar la estimación para el flujo de la corriente de tope con los datos del ejercicio (balance de materia), introduciéndose el valor de S2 . En la figura 24 se observa esta ventana.

Figura 24. Estimado del flujo de la corriente de tope del ejemplo práctico N° 1.

Una vez cubiertas todas las especificaciones de la corriente de alimentación y del Shortcut , se guarda los cambios, se corre la simulación y se genera el reporte de resultados como se indicó en el apartado Aspectos Preliminares. A continuación se muestra el modelo de simulación después de correr.

Figu ra 25. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 1.

Como se observa, todas las corrientes del proceso se encuentran en color azul, así como el Shortcut . Esto indica que el simulador halló una solución al problema. Una de las etapas más importantes de la simulación es la generación, conocimiento, lectura e interpretación adecuada del reporte de resultados. El mismo contiene una gama de Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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información que va desde el historial de cálculos hasta los datos de los componentes y propiedades de los mismos, como la fase, peso molecular, gravedad °API, factor acéntrico, temperatura crítica, presión crítica, calor de formación, entre otras propiedades, así como también se muestran propiedades de las corrientes, como el flujo molar, volumétrico y másico. Sin embargo, para efectos del ejemplo práctico en cuestión, los resultados de principal interés son aquellos asociados a los cálculos de Underwood, que son los estimados iniciales: la relación de reflujo mínimo, la condición térmica de la alimentación y el número mínimo de platos según Fenske. Estos resultados se observan en la página N°3 del reporte, titulada “Shortcut Column Summary” , específicamente en la sección Summary of Underwood Calculations. La siguiente figura muestra esta sección del reporte. Se observa que el resultado obtenido es 0,47735 para el Rmín.

Figura 26. Reporte de resultados del ejemplo práctico N° 1.

La figura 26 muestra la información más importante aportada por el método simplificado de estimados iniciales. A través de esta información se puede realizar una simulación con el método riguroso Distillation. La sección enmarcada en el recuadro inferior muestra el número de etapas en las que el grado de separación especificado se lleva a cabo, así como el plato óptimo de alimentación para cada número de etapas, la relación de reflujo y la carga calórica del condensador y rehervidor. Es de vital importancia acotar que queda de parte del diseñador del equipo que se debe escoger el número de platos y el plato óptimo de alimentación en función a la economía, traducida en el requerimiento energético de los intercambiadores de calor. Es decir, mientras mayor sea el Duty en el rehervidor, debe utilizarse mayor vapor de agua o agua de calentamiento para satisfacer esta necesidad, y a mayor Duty en el condensador, debe utilizarse un medio de enfriamiento más potente que alguna corriente de proceso, agua de enfriamiento o aire, como un refrigerante mixto o, más costoso aún, un sistema de refrigeración.


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Ejemplo práctico N° 2. Shortc ut y Distillation: Determinación del número mínimo de etapas (Nmín) y localización del plato óptimo de alimentación. Para el desbutanizador que se muestra en la figura: a) Estímese el número mínimo de etapas de equilibrio. Supóngase una presión uniforme de 80 psia (552 kPa) en todo el sistema. b) Determine la localización del plato óptimo de alimentación, suponiendo que el número de etapas de equilibrio necesarias es de 18,27.

(Ejemp lo 12.2, 12.7, Henley & Seader ) SOL UCIÓN:

Para el caso planteado, como se puede inferir, se debe realizar el Shortcut correspondiente para la determinación de número mínimo de etapas (Nmín). A su vez se debe realizar el módulo de simulación Distillation para realizar el análisis de sensibilidad respectivo con el fin de obtener la localización del plato óptimo de alimentación en función a la economía del proceso. Como la resolución de Shortcut se realiza del modo descrito en la sección de Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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Aspectos Preliminares, sólo se mostrará a continuación el conjunto de imágenes que resultan de llevar a cabo el procedimiento anteriormente explicado.

Figura 27. Selección de componentes, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figu ra 28. Selección del método termodinámico, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).


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Figura 29. Especificación de la corriente de alimentación, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 30. Especificación de los componentes clave, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figu ra 31. Especificación de las corrientes de producto, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).


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Figura 32. Estimado del flujo de la corriente de tope del ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figu ra 33. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figu ra 34. Reporte de resultados, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).


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Ítem (b): Distillation Como se ha mencionado anteriormente, el plato óptimo de alimentación ha de escogerse en función a la economía del proceso. Para tal acción se debe realizar un análisis de sensibilidad en el modelo de simulación a través del módulo Distillation, generar el reporte y observar los resultados de requerimiento energético. A partir de ello, escoger la localización del plato de alimentación que requiera menor energía en el rehervidor. Sin embargo, a partir del modelo de destilación de estimados iniciales se puede observar una aproximación del resultado deseado. En la figura anterior (Figura 34) se puede observar que el menor requerimiento energético resulta de utilizar 18 platos teóricos para la unidad (los 18,27 platos teóricos que indica el ítem (b) del ejercicio), resultando el plato óptimo de alimentación, el número 5. Sin embargo, a continuación se muestra el procedimiento que debe realizarse para determinar la localización mediante el método riguroso. El modelo de simulación correspondiente al ítem (b) se puede realizar en el mismo archivo del ítem (a), por lo tanto, el sistema de unidades, los componentes y el método termodinámico ya se encuentran definidos. Por lo tanto, se procede a realizar el modelo de simulación. La figura 35 muestra la localización del módulo Distillation en la PFD Palette.

Figura 35. Selección del módulo Distillation y activación de la opción de líneas de proceso, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

La figura presentada a continuación muestra el modelo de simulación en el ambiente de trabajo. Se comienza por introducir la alimentación en la altura media de la columna como punto de partida para el análisis de sensibilidad y, como se observa en el esquema del enunciado, la columna posee condensador total y rehervidor parcial. Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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Figura 36. Modelo de simulación del ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Al especificar la corriente de alimentación, S4, se comienza a especificar la columna. La figura 37 muestra la ventana de apertura de la columna. Se observa que tres campos son obligatorios, el resto son opcionales, para casos especiales o simulaciones especiales, como columnas empacadas, por ejemplo.

Figura 37. Ventana principal de especificación de la columna de destilación, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Al abrir la ventana Pressure Profile, se selecciona la opción Overall en el recuadro Pressure Specification Mode y se introduce 80 psia en la opción Top Tray Pressure, ya que el enunciado ha indicado que la presión uniforme es 80 psia. En la ventana Feeds and Products se introduce el plato de alimentación (actualmente plato 9), y resultado del balance de materia que debe realizarse previo a la simulación. La figura 38 muestra dicha ventana. Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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Figu ra 38. Ventana Feeds and Products, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

En la ventana Performance Specifications se declaran las especificaciones de las corrientes de producto de la columna. Para tal fin, se debe calcular la recuperación requerida para obtener la calidad de los productos mostrada en el esquema del enunciado. A partir de esto, se tiene en la corriente producto de destilado una recuperación del butano alimentado de 98,67 % y en el fondo una recuperación de isopentano de 63,9 %. Estas especificaciones se realizan siguiendo el mismo procedimiento empleado en el Shortcut del ejemplo práctico N°1. La ventana que resulta se muestra a continuación.

Figura 39. Ventana de especificación de calidad de los productos, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).


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Cubiertos estos tres aspectos básicos necesarios para la corrida de la simulación, se guardan los cambios y se corre el modelo. Resultando la imagen mostrada a continuación.

Figu ra 40. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Al generar el reporte de resultados, se debe tener especial atención a la página 4, titulada Column Summary , la cual muestra el requerimiento energético. En la siguiente figura se muestra la ubicación de estos resultados.

Figu ra 41. Reporte de resultados, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Es recomendable, en este punto, realizar una hoja de cálculo en Excel para realizar el análisis de sensibilidad de forma rápida y efectiva. El análisis consiste en correr el modelo de simulación varias veces, variando el plato de alimentación, generar el reporte y extraer los Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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resultados de calor en rehervidor y condensador de cada corrida con fines comparativos. De este procedimiento resulta un resultado similar al mostrado en la figura 42.

Figu ra 42. Tabla de análisis de sensibilidad para la escogencia del plato óptimo de alimentación, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

La tabla realizada en Excel de la figura anterior contempla en la primera columna, de izquierda a derecha, los platos de alimentación en los cuales la simulación corrió, en la siguiente columna el duty del condensador, a continuación el duty del rehervidor (extraídos del reporte de resultados) y finalmente el requerimiento energético neto de la columna, calculado como la suma del consumo de energía en condensador y rehervidor. El fin práctico de realizar esta tabla es observar numéricamente cómo al escoger un plato de alimentación más cercano al rehervidor, la energía requerida por el mismo aumenta, lo cual resulta no factible. Por otro lado, y con el fin de aclarar una terminología errada, se puede observar que el requerimiento energético neto de la columna es menor al escoger un plato de alimentación más cercano al rehervidor, por lo tanto, la escogencia del plato óptimo no puede realizarse en función a este parámetro mal utilizado. En conclusión, de todas las corridas realizadas, la que da como resultado un menor consumo energético resulta ser la especificada para el plato de alimentación N°5, requiriendo 9,4836 MM BTU/Hr. Existen casos en los que el consumo energético en un número de platos de una columna no presenta una considerable variación, por lo tanto, no puede ser utilizado como criterio de escogencia para el plato óptimo de alimentación. Para ello, el simulador posee una opción basada en el grado de separación como criterio de selección. Consiste en una gráfica que muestra el comportamiento del grado de separación, denominado S” , en cada uno de los platos. El punto de mayor inflexión de la curva representa el mayor grado de separación y en consecuencia el plato en el cual esta separación se alcanza con mayor facilidad. “


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Ejemplo práctico N° 3. Distillation: Dimensionamiento de una columna de destilación (Diámetro y altura). El dimensionamiento de una columna de destilación contempla la simulación de la misma a través del módulo Distillation, los nuevos aspectos que se resaltarán en el siguiente ejercicio hacen referencia a la lectura de los resultados del dimensionamiento en el reporte de resultados y algunos parámetros distintos a los ya vistos que se deben introducir al especificar la columna. Por lo tanto, aspectos como la introducción de los componentes, definición del sistema métrico utilizado, selección del método termodinámico, y especificación de la corriente de alimentación y de la columna, no son detallados debido a que se sigue el mismo procedimiento descrito en los ejemplos 1 y 2. En el siguiente ejemplo se dimensiona la columna de destilación E-101, perteneciente a la Unidad Fraccionadora de Nafta de la refinería Puerto La Cruz, PDVSA. En el siguiente grupo de tablas se muestra toda la información asociada al detalle mecánico de la torre, a las condiciones de operación de la misma, condición de la alimentación y calidad de los productos.

Tabla 1. Composición y flujos individuales de la alimentación a la columna E-101. Compuestos n-propano i-butano n-butano i-pentano n-pentano 2,2-dimetilbutano Ciclopentano 2,3-dimetilbutano 2-metilpentano 3-metilpentano n-hexano Metilciclopentano 2,4-dimetilpentano Benceno 3,3-dimetilpentano Ciclohexano 2,2,3-trimetilbutano 2,3-dimetilpentano 1,1-dimetilciclopentano 3-etilpentano n-heptano Metilciclohexano

Nafta de alimentación (Lb-mol/hr) 1,7 4,01 12,39 112,13 210,41 10,71 6,22 30,98 189,92 100,8 208,08 124,12 5,96 11,98 3,86 55,41 24,66 10,49 49,8 5,04 30,88 115,1


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2-metilheptano 3-metilheptano Propilciclopentano n-octano Etilciclohexano 2-metiloctano n-nonano Butilciclopentano Propilciclohexano n-decano Butilciclohexano

93,64 97,86 45,94 291,08 82,44 29,9 29,83 67,85 90,22 36,03 32,64

Tabla 2. Propiedades de diseño de la alimentación y productos de la columna E-101. Propiedades de los fluidos

Carga

Flujo molar (lb-mol/hr) Temperatura (ºF) Presión (psig) Flujo másico (lb/hr) Peso molecular Flujo estándar (MBD) Gravedad específica estándar Viscosidad a 100 ºF

2.257,89 193 33 220.909 97,8 21,344 0,709 0,222

Nafta liviana 1.071,77 155,4 12 87.159 81,3 8,955 0,667 0,194

Nafta pesada 1.186,12 308,5 23,2 133.749 112,7 12,388 0,739 0,175

Tabla 3. Condiciones de presión y temperatura de la columna E-101.

Equipo

E-101

Ubicación Tope Entrada Fondo

Temperatura de diseño (ºF) 197 315

Presión (psig) Diseño 25 30 35

(ΔP)

diseño 10

Tabla 4. Descripción mecánica de la columna E-101.

Número de platos Plato de alimentación Tipo de plato

E-101 Zona de enriquecimiento Zona de agotamiento 18 29 19 Perforado Válvula


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Diámetro del plato (pie) Espaciamiento entre platos (pulg) Número de pasos Diámetro de orificio (pulg) Número total de perforaciones 2 Área perforada por plato (pie ) Material del plato Espesor de plato (pulg) Bafles Ancho Lateral del bajant Entrada e Central (pulg) Salida Espacio libre debajo del bajante (pulg) Caja de receso Tipo de bajante

10,5 24 2 0,5 5430 7,404014

4 (*) 2204 Acero al carbón 0,104 No

9

8,5

9

7 8

8

5 2,5 No

Cordal

Arco modificado

Entrada

3

Salida Área de desperdicio (pie )

0 0

Altura del vertedero (pulg)

Previo a establecer las condiciones de operación de la columna E-101, se debe considerar que para efectos del módulo de simulación Distillation se requiere el número de etapas teóricas, y el valor aportado por la hoja de especificación mecánica de la columna (47) es de diseño, por lo que, el valor teórico es de 40 etapas para una eficiencia de 85 %. La figura 43 muestra la ventana en la que debe ser introducido el valor al acceder a la torre.

Figur a 43. Introducción del número de etapas teóricas de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Para este ejemplo práctico se utiliza como especificación de los productos, el peso molecular de las corrientes de producto de nafta liviana y nafta pesada. Para ello se debe seguir la ruta Performance Specifications Parameter Parameter Molecular Weight para definir el ⇾

⇾

⇾


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peso molecular como especificación, y la ruta Performance Specifications Value para introducir el valor de dicha especificación. La figura 44 muestra la ventana que resulta de seguir dichas rutas. ⇾

Figu ra 44. Especificación de la calidad de los productos, ejemplo práctico N° 3.

En la tabla 4 se puede observar que la columna E-101 posee una configuración de platos distinta para la sección de enriquecimiento y para la de agotamiento en cuanto al número de platos, tipo de plato y pasos por plato. Para especificar el tipo de platos en cada sección de la columna y los pasos por cada sección, se debe modificar la configuración hidráulica que establece el simulador por defecto. Para tal fin se entrar en la opción Tray Hydraulics/Packing , dentro de la ventana principal de especificaciones de la columna. La figura 45 muestra esta opción.

Figura 45. Ventana de la columna mostrando la opción Tray Hydraulics/Packing.


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Como en la columna sólo se presentan dos secciones distintas, se establecerán dos condiciones para cada tramo de platos. El primer tramo (de la etapa 2 hasta la etapa 15), y el segundo tramo (de la etapa 16 hasta la 39), tomando en cuenta que el plato de alimentación se considera en la sección de agotamiento. Para esto, en el campo Starting Tray se introduce como primer plato la etapa dos, y en el campo Ending Tray como último plato la etapa 15. Se selecciona como tipo de internos platos en la opción desplegable Internals, y en el campo Calculations Type se selecciona la opción Sizing , ya que se está dimensionando la columna. Para las especificaciones de los platos del tramo indicado se accede a la opción Enter Data en el renglón Calculation Data , se escoge como tipo de plato: perforado, en el campo desplegable Tray Type y se especifica el número de pasos en la sección de enriquecimiento, que es de dos, a través de la opción desplegable Number of Flow Paths . Las figuras 46, 47 y 48 muestran el resultado de estos pasos secuenciales para ambas secciones de la columna.

Figu ra 46. Delimitación y especificación de los internos de las secciones de enriquecimiento y agotamiento de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Figu ra 47. Especificación de los internos de la sección de enriquecimiento de la columna E101, ejemplo práctico N° 3.


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Figu ra 48. Especificación de los internos de la sección de agotamiento de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Descritas estas acotaciones especiales, se procede a correr el modelo de simulación y generar el reporte de resultados, verificando con anterioridad que todos los parámetros especificados tengan congruencia con las tablas suministradas. Como la columna E-101 tiene dos secciones de platos con diferentes especificaciones de diseño, cabe esperar que el diámetro en la sección de enriquecimiento sea distinto al de la sección de agotamiento. Por otro lado, la altura de la columna queda determinada por el número de platos especificados y el espaciamiento entre platos que da el simulador como resultado, además de sumar el valor de 4 pies adicionales propuestos por el autor Harry Silla que representan el equivalente de 2 pies adicionales en el tope y 2 pies adicionales en el fondo. En el reporte de resultados, página P-12, en la sección titulada Tray Selection For Tray Rating , se muestra el resultado del diámetro para cada una se las secciones de la columna. Se tiene que la sección de enriquecimiento (sección 1) tiene un diámetro de 84 pulgadas y la sección de agotamiento (sección 2) un diámetro de 108 pulgadas. En la figura 49 se identifica el resultado mencionado.

Figu ra 49. Diámetros de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Para determinar el espaciamiento entre los platos, se debe promediar los espaciamientos de ambas secciones de la columna suministrados por el simulador. Los valores de Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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espaciamiento se ubican en las páginas P-12 y P-13 del reporte. La figura 50 muestra la ubicación de estos datos en el reporte, en la sección Tray Rating At Selected Design Trays .

Figura 50. Espaciamiento entre platos de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3

Del promedio del espaciamiento de los platos en la sección de enriquecimiento se tiene un valor de 28,04 in y de la sección de agotamiento 33,04 in. La altura de la columna se calcula de siguiente forma: H= N° de platos de la sección de enriquecimiento * espaciamiento entre platos de la sección de enriquecimiento + N° de platos de la sección de agotamiento * espaciamiento entre platos de la sección de agotamiento

La altura total resulta de la suma de la altura obtenida con el número de platos y el espaciamiento, más 4 Ft (48 in). De este modo, la altura de la columna es de 1228,52 in (31,20 m).

CASO EXTRA:

Con la finalidad de brindar nociones básicas sobre la especificación de otros tipos de internos, este caso muestra el proceso de destilación anterior (Ejemplo práctico Nro. 3) utilizando empaques en toda la columna. Para tal fin se debe acceder a la sección Tray Hydraulics/Packing (Véase figura 45). En la siguiente figura se muestra la selección de empaques aleatorios en la columna. Se conservará la opción sizing con la finalidad de determinar los valores de interés en cuanto a la hidráulica en procesos de destilación utilizando estos internos. Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

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Figura 51. Ventana de hidráulica utilizando como tipo de internos empaques aleatorios Random Packing.

En la ventana mostrada en la figura anterior es necesaria la introducción del tipo y los datos mecánicos del empaque a utilizar. Para este caso, fueron tomados Anillos Rasching, sin embargo, se deberá colocar las especificaciones del proceso que se esté estudiando. En la siguiente figura se muestra la ventana de la introducción de los datos del empaque.

Figura 52. Ventana de especificación de los datos del empaque seleccionado.


Manual Práctico de Destilación en PRO/II

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