PROYECTOS
DISEÑO PRELIMINAR DE COLUMNAS DE DESTILACION
11.1.- Selección de la Presión 11.1.1 Aumento Presión: Factores desfavorables 1. La volatilidad relativa disminuye y por tanto aumenta la dificultad de la separación: Mayor número de platos, mayor reflujo y mayor requerimientos Q el condensador y en el rehervidor. 2. Aumenta el perfil de temperatura de la columna: aumentan las reacciones de degradación química, polimerización, etc. 3. Por encima de 100 psig, se debe aumentar mucho el espesor del material de la columna, y por tanto el costo del equipo. Este factor no es tan relevante a P < 100 psig. 4. Aumenta la temperatura en la caldera y por tanto se requiere un medio de calefacción más caro. Para el mismo agente de calefacción, aumenta el área de intercambio de calor. 5. Para separaciones a presiones mayores, las fugas son mayores, y aumenta el peligro potencial en el caso de usar materiales tóxicos o inflamables.
11.1.- Selección de la Presión 11.1.2 Aumento Presión: Factores favorables 1. Aumenta el punto de ebullición del destilado, lo que permite el uso de refrigerantes más baratos. 2. Si la columna opera por debajo de 1 atm, un aumento de presión disminuye el coste de creación y mantenimiento de vacío (consumo de energía del eyector y costo de los equipos). 3. Aumenta la densidad del vapor, y por tanto, la capacidad de la columna: si la columna trabaja a vacío, se produce una disminución grande del diámetro de columna necesario y de los costos del equipo. La reducción es menor para presiones comprendidas entre 50 y 150 psia. 4. En la destilación de gases licuados, aumentan los puntos de ebullición del líquido que circula por la columna, lo que permite utilizar materiales de construcción más baratos. 5. Disminuye el diámetro de las tuberías y el tamaño de las válvulas por las que circula el vapor. 6. Por debajo de 1 atm disminuyen las fugas y por tanto el peligro potencial de los materiales tóxicos o inflamables.
11.1.- Selección de la Presión 11.1.3 Criterios : 1.- Separaciones a presión: Se recomienda fijar la presión más baja que permita la condensación del destilado utilizando como agente refrigerante agua o aire.
2.- Separaciones a vacío: Se elige cuando la temperatura de fondo es muy alta y por tanto se requiere un medio de calefacción muy caro, o hay descomposición de los productos a estas elevadas temperaturas. En este caso, es deseable que la presión sea lo más alta posible. Se selecciona una presión que de una temperatura de burbuja lo suficientemente baja como para evitar la degradación de los productos de fondo, y para permiti r el funcionamiento adecuado de la caldera con el agente de calefacción disponible.
11.1.- Selección de la Presión 11.1.4 Método diseño preliminar Para un diseño preliminar, la presión de operación de la columna y el tipo de condensador se pueden establecer siguiendo el procedimiento que se describe : 1.- Calcule la Presión de Burbuja del destilado ( PB), para una temperatura mínima de 49ºC (120ºF) , con el fin de utilizar agua como líquido de refrigeración. 2.- Tipo de condensador: Si PB < 215 psia Si PB < 215 psia y Destilado es vapor
C. Total C. Parcial
Si 215 psia < PB < 365 psia C. Parcial Si PB > 365 psia Usar refrigerante y C. Parcial 3.- Si PB es menor que 30 psia, ajustar la presión a 30 psia.
11.1.- Selección de la Presión 11.1.4 Método diseño preliminar Para el diseño preliminar, la presión de operación de la columna y el tipo de condensador se pueden establecer siguiendo el procedimiento que se describe :
4.- Caídas de presión: - Condensador: - Platos : - Platos : - Columna:
0 – 2 psi 0,10 psi/plato (columnas atmosféricas) 0,05 psi/plato (columnas a vacío) 5 psi
11.2.- Criterios 1.- Separaciones a presión: Se recomienda fijar la presión más baja que permita la condensación del destilado utilizando como agente refrigerante agua o aire.
2.- Separaciones a presión de vacío: Se recomienda utilizarla cuando la temperatura de fondo es muy alta y por tanto se requiere un medio de calefacción muy caro, o hay descomposición de los productos a estas elevadas temperaturas. En este caso, es deseable que la presión sea lo más alta posible. Aquí se fija aquella presión que de una temperatura de burbuja lo suficientemente baja como para evitar la degradación de los productos de fondo, y para permiti r el funcionamiento adecuado de la caldera con el agente de calefacción disponible.
11.3.- Cálculos de proceso (Método Fenske-Underwood-Gilliland) 11.3.1.- Temperatura de tope: Para estimar esta temperatura se calcula el punto de rocío del destilado a la presión del sistema ( Pt). En este caso se busca por tanteo una temperatura que satisfaga las siguientes ecuaciones:
∑xi = 1,0 ; xi = y /K i i Donde:
xi = fracciones molares en el líquido yi = fracciones molares en el vapor Ki = Constante de equilibrio = P /P i t (Pt< 10 atm) Pi = Presión de vapor del componente i
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.2.- Temperatura de fondo: Para estimar esta temperatura se calcula el punto de burbuja del producto de fondo a la presión en ese punto (Pf ). Aquí se busca por tanteo una temperatura que satisfaga las siguientes ecuaciones:
∑yi = 1,0 ; yi = Ki * xi Donde:
xi = fracciones molares en el vapor yi = fracciones molares en el líquido Ki = Constante de equilibrio = P /P i f (Pf < 10 atm) Pi = Presión de vapor del componente i
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.3.- Número mínimo de etapas: El número mínimo de etapas para obtener la separación está dado por una operación a reflujo total . En esa condición se cumple que :
Nm + 1 = Log [(y /y i r )t * (x /x r i)f ] / Log (αm) Donde:
Nm = Número mínimo etapas equilibrio en la columna xi ; xr = fracciones molares i, r en el líquido, fondo yi ; yr = fracciones molares i, r en el vapor, tope αm
= volatilidad relativa media
11.3.- Cálculos de proceso Volatilidad relativa: La volatilidad relativa es una medida de la facilidad con que se pueden separar dos componentes de una solución, y se define como:
αir =[(y /x i i) / (y /x r r )] = [ K / i Kr ] Donde: αir = volatilidad relativa entre el componente i y el r xi ; xr = fracciones molares en el líquido de i y r yi ; yr = fracciones molares en el vapor de i y r La volatilidad relativa debería calcularse en cada punto de la torre y después calcular la volatilidad media. Normalmente suele usarse la simplificación siguiente:
αm =[(αt) * (αf )]
0,5
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.4.- Ubicación del plato de alimentación: Debe calcularse el punto de burbuja de la alimentación, si esta llega líquida. Si en cambio la alimentación llega como vapor debe calcularse el punto de rocío. Una vez conocida la temperatura del plato de la alimentación, se aplica la ecuación de Fenske nuevamente: Entre el tope y el plato de alimentación.
Nma + 1 = Log [(y /y i r )t * (x /x r i)a] / Log ( αma) 0,5
αma =[(αt) * (αa)]
Entre el plato de alimentación y el fondo.
Nmf + 1 = Log [(y /y i r )a * (x /x r i)f ] / Log (αmf ) 0,5
αmf =[(αa) * (αf )]
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.5.- Razón de reflujo mínimo (R m): Se calcula usando la relación siguiente:
Rm + 1 = ∑ [(αir *xid)t * (αir - θ)] Donde : Rm = Razón de reflujo mínima αir = volatilidad relativa de componente i respecto a r Xid = fracción molar del componente i en el reflujo tope θ = valor numérico. Debe resolverse antes la ecuación para θ:
1- q = ∑ [(αir *xia) * (αir - θ)] q = (Hav – Ha)/ (Hav – Hal) Donde: Hav = Entalpia de la alimentación como vapor Hal = Entalpia de la alimentación como liquido Ha = Entalpia real de la alimentación
Alimentación: Líquido saturado q = 1; Vapor saturado q = 0
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.6.- Reflujo de operación (R): Una buena aproximación es suponer que es un porcentaje de entre 20 y 50% mayor que el reflujo mínimo:
R = f * Rm Donde : R = Razón de reflujo de operación Rm = Razón de reflujo mínimo f = factor de experiencia, varia entre 1,2 y 1,5
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.7.- Número de etapas teóricas (N): Comúnmente el número de etapas teóricas se calcula utilizando la correlación de Gilliland :
A = 0,75 * (1 – B0,5668) Donde :
A B
= ( N – Nm )/( N + 1 ) = ( R – Rm )/( R + 1 )
Agregar figura correlación de Gilliland
11.3.- Cálculos de proceso 11.3.8.- Eficiencia y número de Platos: La eficiencia se puede calcular utilizando la correlación de O´Connell.
ϵ = - 0,12073*Ln( αm * μm ) Donde: ϵ = eficiencia de la torre αm = volatilidad relativa media en la torre μm = viscosidad media de la alimentación
μm
1/3
= ∑xi * (μi)
1/3
Número de platos reales (N r ):
Nr = N / ϵ Junto con lo anterior, se utiliza sobredimensionamiento de 25%.
un
factor
de
