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• Jorge Aguiar Tirado

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Universidad Autónoma de Nayarit Unidad Académica de Ciencias Básicas e Ingenierías Programa Académico de Ingeniería Química

DESTILACIÓN INDIRECTA DE BUTANO-PENTANO-HEXANO

Unidad de Aprendizaje: Simulación de Procesos Docente: Dr. Raúl Delgado Delgado Alumno: Sergio Iván Castañeda Soto

Noviembre de 2018.

Introducción Las industrias químicas y de refinación de petróleo son dos de las industrias más intensivas en energía, donde algunos procesos son impulsados térmicamente con baja eficiencia energética. Cada año, estas industrias consumen más de seis cuatrillones de BTU de energía y el 41% de esa cantidad se utiliza en procesos de destilación. La destilación es ineficiente, y la mejora de esta eficiencia podría generar importantes ahorros de energía (Yang et al, 2010). Hasta 1950, los cálculos correspondientes a los problemas de rectificación tenían que realizarse “a mano”. Aunque se disponía de métodos rigurosos, eran difíciles de aplicar, incluso en el caso de columnas muy pequeñas. En esta época, los métodos aproximados constituían la principal herramienta de diseño y los rigurosos sólo se aplicaban para columnas muy pequeñas o para comprobar el diseño final. La aparición de los ordenadores invirtió la situación: los métodos rigurosos, cuya aplicación hasta el momento requería varios días de trabajo, o incluso semanas, suponían ahora muy poco tiempo de cálculo con el ordenador y por tanto no tenía sentido aceptar como buenas las inexactitudes e imprecisiones de los métodos aproximados. En la actualidad, los métodos rigurosos han pasado a ser la principal herramienta de diseño, quedando como único papel de los métodos aproximados el proporcionar una estimación inicial para los cálculos rigurosos y eliminar las opciones menos adecuadas. En las últimas dos décadas ha habido un aumento notable en la aplicación de técnicas computacionales que están fácilmente disponibles para los ingenieros. Debido a estas ventajas, los ingenieros pueden utilizar fácilmente técnicas más profundas de análisis y síntesis (Taqvi, Tufa y Mudadizir, 2016).

Consideraciones para el diseño El siguiente diseño se llevó a cabo con la intención de separar 100 lbmol/hr con los siguientes componentes: N-butano 33.333%, N-pentano 33.333% y N-hexano 33.333%. En donde el objetivo principal es obtener como productos N-butano y Npentano con un 98% pureza. Mediante el empleo del programa Aspen Plus V8.0. Como método base se tomó el modelo termodinámico de Chao-Seader, el cual es especialmente utilizado en la industria petrolera. Para los cálculos llevados a cabo en el diseño de las columnas de destilación para la separación se consideró una temperatura de condensados de 120°F, además de una caída de presión de 10 psi en toda la columna.

Metodología Para la separación de los 3 hidrocarburos se utilizaron 2 columnas de destilación, en donde el primer paso fue obtener las presiones de operación; el segundo, cálculo de

condiciones de prediseño y finalmente se utilizó un método riguroso para las obtener las variables de la columna. 

Calculo de presiones de operación en alimentación, condensador y rehervidor.

Para el cálculo de las presiones en el condensador, tanto de la columna 1 como de la columna 2, se utilizaron tanques flash del software Aspen Plus V8.0 y se siguieron los siguientes pasos: 1. Suponer una temperatura en el condensador de 120 °F y una presión de vapor de 0. 2. Introducir los valores de N-butano, N-pentano y N-hexano en condensados que se desean obtener. 3. Calcular la presión en el tanque flash, esa es la presión del condensador en la columna. 4. Sumarle 10 psi a la presión del condensador, esa es la presión del rehervidor. 5. Sumarle 7.5 psi a la presión del condensador, esa es la presión de la alimentación. 

Calculo de condiciones de prediseño.

En esta parte se obtendrán los siguientes datos (los cuales son necesarios para desarrollar el método riguroso): Numero de etapas, etapa de alimentación, relación de reflujo, Carga térmica del condensador y carga térmica del rehervidor. Estos datos se obtuvieron utilizando una columna DSTWU, en donde sigue el método WUG, llevando a cabo los siguientes pasos: Para la primera columna: 1. Se introdujeron los valores a la alimentación como: composición molar, fracción de vapor, y presión. 2. Se introdujeron las condiciones de operación de la columna como: relación de reflujo, recuperaciones de componentes clave ligero y pesado, presiones en condensador y rehervidor. 3. Correr el programa para obtener los datos que se requerirán para calcular el método riguroso. Para la segunda columna: 1. Conectar los destilados de la primera columna DSTWU a la alimentación de la segunda columna DSTWU. 2. Se introdujeron las condiciones de operación de la columna como: relación de reflujo, recuperaciones de componentes clave ligero y pesado, presiones en condensador y rehervidor. 3. Correr el programa para obtener los datos que se requerirán para calcular el método riguroso. 

Calculo riguroso

Este cálculo se llevó a cabo utilizando columnas RadFrac, las cuales siguen un método riguroso de cálculo. Para desarrollar este cálculo son necesarios los datos obtenidos en el paso anterior. Para desarrollar este cálculo se siguieron los siguientes pasos:

Primera columna: 1. Se introdujeron los valores a la alimentación como: composición molar, fracción de vapor, y presión. 2. Se introdujo la configuración de la columna en donde se requieren datos como: tipo de cálculo, numero de etapas, tipo de condensador, tipo de rehervidor, fases validas, convergencia de cálculo, cantidad de destilado y relación de reflujo. 3. Se introdujeron las etapas de alimentación, de destilados y de fondos. 4. Se introdujeron las presiones en condensador, rehervidor y alimentación. 5. Mediante la herramienta de diseño de especificaciones se varió el reflujo a fin de tener un 98% de pureza en N-Hexano. Segunda columna: 1. Se conectó la columna RadFrac 1 con la columna RadFrac 2. 2. Se introdujo la configuración de la columna en donde se requieren datos como: tipo de cálculo, numero de etapas, tipo de condensador, tipo de rehervidor, fases validas, convergencia de cálculo, cantidad de destilado y relación de reflujo. 3. Se introdujeron las etapas de alimentación, de destilados y de fondos. 4. Se introdujeron las presiones en condensador, rehervidor y alimentación. 5. Mediante la herramienta de diseño de especificaciones se varió el reflujo a fin de tener un 98% de pureza en N-Hexano. Resultados 1. Cálculo de presiones de operación Para calcular las presiones de operación se utilizaron tanques flash. En la tabla 1 mostramos los resultados. Tanque flash 1

Función P (psi) T (°F) Calcular la presión de operación del 43.1354 120 condensador de la columna 1. 2 Calcular la temperatura de operación 53.1354 243.681 del rehervidor de la columna 1. 5 3 Calcular la presión de operación del 65.5194 120 condensador de la columna 2. 4 Calcular la temperatura de operación 75.5194 204.334 del rehervidor de la columna 2. 4 Tabla 1. Resultados de las presiones en condensador y rehervidor de las columnas de destilación 1 y 2.

2. Calculo de condiciones de prediseño En la siguiente imagen se registran los datos obtenidos en las columnas DSTWU 1 y 2.

Imagen 1. Resultados obtenidos de los cálculos de condiciones de prediseño.

3. Calculo riguroso Como se mencionó anteriormente, los datos obtenidos en la sección anterior fueron necesarios para el cálculo riguroso. En la imagen 2 se muestra el diagrama que se utilizó en Apen Plus V8.0, en donde: B7 es la columna 1 y B8 es la columna 2. Por otra parte, las imágenes 3 y 4 muestran los resultados de las columnas1 y 2, respectivamente. Cabe señalar las purezas de 98% en las corrientes 20 y 21 de Nhexano y N-butano.

Imagen 2. Diagrama de flujo utilizado en Aspen Plus V8.0.

Imagen 3. Resultados de la primera columna de destilación.

Imagen 4. Resultados de la segunda columna de destilación.

Conclusiones

1. Se lograron obtener las presiones de operación mediante el uso de tanques flash en el software Apen Plus V8.0. 2. Se obtuvieron las condiciones de prediseño mediante el uso de columnas DSTWU en el software Aspen Plus V8.0. 3. Se lograron obtener purezas del 98% para el N-hexano y N-butano, mediante la implementación de columnas de destilación de cálculo riguroso.

Referencias

1. Yang, D., Martinez, R., Fayyaz-Najafi, B., & Wright, R. (2010). Light hydrocarbon distillation using hollow fibers as structured packings. Journal of Membrane Science, 362(1-2), 86–96. doi:10.1016/j.memsci.2010.06.019

2. Taqvi, S. A., Tufa, L. D., & Muhadizir, S. (2016). Optimization and Dynamics of Distillation Column Using Aspen Plus®. Procedia Engineering, 148, 978– 984. doi:10.1016/j.proeng.2016.06.484