INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SIMULACIÓN DE PROCESOS
SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA Se cuenta con mezcla liquida que contiene propano, isobutano, n-butano, isopentano y npentano. Se desea separar los primeros tres componentes con una pureza del 99 % empleando dos estrategias de separación, que permitan ev aluar la factibilidad mediante la comparación del consumo energético. La mezcla se encuentra a 70 °F y 138 psia y las composiciones composiciones se muestran a continuación: Flujo molar [lbmol/hr] 100 300 500 400 500
Componente Propano Isobutano N-butano Isopentano N-pentano
Primera Estrategia
La primera estrategia busca separar en la primera columna al propano, los fondos son enviados a una segunda columna donde se separan los butanos de los pentanos, el destilado rico en butano se envía a una tercera columna donde se separa el isobutano del n-butano. n-butano. En la figura 1 se presenta un esquema del proceso.
DIST1
C1
DIST3 C3
FEED DIST2
C2
LIQUID1 LIQUID3
LIQUID2
Figura 1. Primera estrategia de separación Columna
1.Para comenzar con la simulación de la primera columna, se empleó el módulo
DSTWU, en el cual se estableció un número de etapas etapas de 6, como componentes clave ligero y pesado se seleccionó el propano propano y el isobutano, respectivamente. respectivamente. Los resultados de la corrida se muestran en la siguiente tabla: KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SIMULACIÓN DE PROCESOS Minimumreflux ratio:
2.7575274
Feedstage:
3.24722355 12.4097028 24.8194056 12.9018381
Number of actual stages above feed:
11.9018381
Reboiler heatingrequired:
11604421.1
Btu/hr
Condenser coolingrequired:
2878252.09
Btu/hr
Distillatetemperature:
78.0954949
F
Bottomtemperature:
195.972963
F
Distillatetofeedfraction:
0.05694321
Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages:
Con los resultados obtenidos del número de etapas, etapa de alimentación y la relación de reflujo, se procede a cambiar el módulo de destilación por el RadFrac. Durante la primera corrida los resultados obtenidos en la pureza no fueron los requeridos, por los que se optimizaron los parámetros de la columna, como se muestra en las figuras 2 y 3.
Figura 2. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 1
Figura 3. Etapa de alimentación para la columna 1
Con estos parámetros optimizados se obtuvo la recuperación requerida e los componentes clave y pesado. En la figura 4 se presentan las fracciones molares de los productos.
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Figura 4. Fracciones molares de los productos
Los resultados generales arrojados por el simulador se presentan en la siguiente figura, se observa que se cumple con los requerimientos en la composición del destilado (DIST1).
Figura 5. Resultados generales de la columna 1
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2. Para la columna 2 se siguió la misma metodología. En el módulo DSTWU se
tomó como componente clave ligero al n-butano y como el clave pesado al Isopentano. La recuperación para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuación: Minimumreflux ratio:
2.01192109
Actual reflux ratio:
Feedstage:
2.39245818 15.3062582 30.6125164 16.0317607
Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired:
15.0317607 21168658.8
Condenser coolingrequired: Distillatetemperature:
20294126 160.514781
Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction:
242.417133 0.47023125
Minimumnumber of stages: Number of actual stages:
Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
Figura 6. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 2
Figura 7. Etapa de alimentación para la columna 2
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Bajo las condiciones de operación anteriores se obtuvieron las siguientes fracciones molares en los productos de la columna, estos cumplen con los requerimientos. El 99 % de los butanos se logran separar de la alimentación.
Figura 8. Fracciones molares de los productos
Figura 9. Resultados generales de la columna 2
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3. Para la columna 3 en el módulo DSTWU se tomó como componente clave
ligero al isobutano y como el clave pesado al n-butano. La recuperación para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuación: Minimumreflux ratio:
10.160907
Feedstage:
11.4620889 40.6199057 81.2398114 42.1699713
Number of actual stages above feed:
41.1699713
Reboiler heatingrequired:
26790697.7
Btu/hr
Condenser coolingrequired:
26766221.9
Btu/hr
Distillatetemperature:
146.615954
F
Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction:
170.193867 0.37727966
F
Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages:
Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
Figura 10. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 3
Figura 11. Etapa de alimentación para la columna 3
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Como se puede observar, se decidió reducir el número de platos para evitar que la columna fuera demasiado alta y aumentar a 15 el reflujo. Esta configuración arrojo los siguientes resultados.
Figura 12. Fracciones molares de los productos
Figura 13. Resultados generales de la columna 3
Las cantidades del consumo energético (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuación:
REBOILER CONDENSER
C1
C2
C3
TOTAL PARCIAL
15877747
23525832
34152103.8
73,555,682.80
-7149681.8
-22648799
-34127418
-63,925,898.80
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TOTAL 137,481,581.60
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SIMULACIÓN DE PROCESOS Segunda Estrategia
La segunda estrategia busca separar los componentes en a partir de los fondos de cada columna, es decir, como primer lugar el propano, posteriormente isobutano y finalmente n-butano. En la figura 14 se presenta el esquema de esta estrategia.
GAS1
GAS2
C1 FEED
C2 LIQUID1 GAS3 C3 LIQUID2
LIQUID3
Figura 14. Segunda estrategia de separación
De la misma forma que en la primera estrategia se emplea el módulo DSTWU para hacer un cálculo aproximado de las condiciones de operación de la primera columna, posteriormente se emplea el módulo RadFrac y se optimizan los parámetros para cumplir los requerimientos. Por lo anterior, solamente se presentan los cálculos para las columnas 3 y 4. Para la columna 2 usando el módulo DSTWU, definiendo como componentes clave ligero y pesado al isobutano y n-butano, respectivamente, con recuperaciones del 0.99 y 0.01. Los resultados son tabulados a continuación: Minimumreflux ratio:
14.0877844
Actual reflux ratio:
Feedstage:
15.8383572 45.2373784 90.4747568 44.5890381
Number of actual stages above feed:
43.5890381
Reboiler heatingrequired:
36566974.7
Btu/hr
36264328
Btu/hr
Minimumnumber of stages: Number of actual stages:
Condenser coolingrequired: Distillatetemperature:
146.603349
F
Bottomtemperature:
209.433139
F
Distillatetofeedfraction:
0.1777406
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Empleando el módulo RadFrac, los valores optimizados se muestran en las figuras siguientes.
Figura 15. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 2
Figura 16. Etapa de alimentación para la columna 2
Con estos parámetros de operación, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 17 se presentan las fracciones molares de los productos.
Figura 17. Fracciones molares de los productos
En esta columna se observa la gran cantidad de etapas que requiere la columna para lograr separar el isobutano, y el alto reflujo que se requiere, esto se refleja en la gran cantidad de energía que se requiere para la operación de esta columna. Por otra parte, el tamaño de una columna de 91 platos podría no ser lo más adecuado.
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La figura 17 muestra los resultados generales de la columna 2.
Figura 18. Resultados generales de la columna 2
Columna
3. La columna 3 recibe los fondos provenientes de la columna 2, se especifica
como componente clave ligero al n-butano y clave pesado al isopentano. Los resultados del módulo DSTWU son los siguientes: Minimumreflux ratio:
3.0336676
Feedstage:
3.54204581 15.6003081 31.2006162 16.4858041
Number of actual stages above feed:
15.4858041
Reboiler heatingrequired:
17958215.1
Btu/hr
Condenser coolingrequired:
17358231.4
Btu/hr
Distillatetemperature:
170.085886
F
Bottomtemperature:
242.457265
F
Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages:
Distillatetofeedfraction:
0.3571006
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Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
Figura 19. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 3
Figura 20. Etapa de alimentación para la columna 3
Con estos parámetros de operación, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 21 se presentan las fracciones molares de los productos.
Figura 21. Fracciones molares de los productos
En esta columna se requirió menor número de etapas ya que la diferencia entre los puntos de ebullición del n-butano con respecto al isopentano es mayor que entre los butanos. Se observa una buena separación de los componentes. Por último se presentan los resultados generales para la columna 3 (figura 22).
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Figura 22. Resultados generales de la columna 3
Las cantidades del consumo energético (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuación:
REBOILER CONDENSER
C1
C2
C3
TOTAL PARCIAL
15,553,477
40,396,863.50
21,457,909
77,408,250.60
-7,151,721
-40,095,355.00
-20,853,530
-68,100,606.30
TOTAL 145,508,856.90
CONCLUSIÓN Ambos métodos o estrategias de separación empleadas permitieron obtener las concentraciones de los productos requeridas, pero se observan diferencias en el consumo energético. La segunda estrategia requiere mayor cantidad de energía en el condensador como en el rehervidor. Por otro lado, la columna de la segunda estrategia requiere un número muy elevado de etapas y el reflujo alto. Por lo que la estrategia mas factible de implementar es la numero 1.
KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
