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• Maria Paula

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REACTORES QUíMICOS Y COLUMNAS DE DESTILACIóN EN UNISIM DESIGN

COLUMNAS DE DESTILACIóN EN UNISIM DESIGN

Concepto de destilación

La destilación se define como la operación de separar, por transferencia de materia y calor, los componentes de una mezcla aprovechando las diferencias de puntos de ebullición. La destilación depende de parámetros de equilibrio tales como: 1-Mezcla líquido-vapor. 2-Temperatura. 3-Presión. 4-Composición.

Columna de destilación continua

La columna de destilación continua opera en estado estacionario y en ella se lleva a cabo una operación en contracorriente entre el vapor que asciende y el líquido que desciende en varias etapas. La columna de destilación se halla constituida por las siguientes partes: 1-Condensador. 2-Columna propiamente dicha. 3-Rehervidor.

Condensador de la columna

1-Condensador parcial. 2-Condensador total. 3-Condensador a reflujo total.

Columna

1-Sección de rectificación. 2-Sección de agotamiento

COLUMNAS DE DESTILACIóN EN UNISIM DESIGN

Relleno

Platos

Condensador

Rehervidor

COLUMNAS DE DESTILACIóN EN UNISIM DESIGN

Condensador

El condensador es un intercambiador de calor del tipo carcaza y tubos cuya función es condensar el vapor que llega a la parte superior de la columna. Una porción del vapor condensado retorna a la columna como reflujo y el resto se retira como destilado. Condensador total

Condensador parcial

Condensador a reflujo total

Tipo de condensadores

F: especificación de caudal. P: especificación de presión. Corriente de reflujo. Corriente de destilado.

Rehervidor

Corriente de reflujo. Corriente de destilado. Corriente de vapor.

Corriente de reflujo. Corriente de vapor.

El rehervidor es un intercambiador de calor del tipo carcaza y tubos cuya función es proporcionar la energía a la columna para mantener las corrientes de líquido y vapor en estado de saturación.

Corriente de vapor de salida hacia la columna. Corriente de líquido de salida de fondo.

COLUMNAS DE DESTILACIóN EN UNISIM DESIGN Acumulador de reflujo

Tanque que recibe la corriente del condensador. El acumulador permite una “holgura operacional” que puede mantener en funcionamiento a la columna cuando existen problemas en el condensador.

Las columnas de destilación son las operaciones unitarias más complejas que UniSim Design simula. Rectificación

Operaciones de separación que pueden ser tratadas con los modelos de columnas de UniSim Design

Modelos para el cálculo de columnas disponibles en UniSim Design

1-Absorción. 2-Extracción. 3-Rectificación.

1-Absorbedor. 2-Absorbedor con reflujo. 3-Absorbedor con rehervidor. 4-Extractor líquido – líquido. 5-Columna de destilación. 6-Destilación de tres fases.

1-Azeotrópica. 2-Multicomponente. 3-Trifásica. 4-Extractiva. 5-Reactiva. 6-Corrientes líquidas laterales conectadas a bombas. 7-Sidestrippers.

MODELOS DE COLUMNAS DISPONIBLES EN UNISIM DESIGN Columna de destilación

Sección de platos. Condensador. Rehervidor.

Absorbedor

Extractor líquido-líquido

Sección de platos.

Absorbedor con reflujo

Sección de platos. Condensador.

Absorbedor con rehervidor

Destilación de tres fases

Sección de platos. Rehervidor. Sección de platos. Condensador de tres fases. Rehervidor.

CáLCULOS DE COLUMNAS EN UNISIM DESIGN 1-Tienen esencialmente como base el mismo modelo matemático. 2-Realizan balances de materia y energía etapa a etapa para cualquier tipo de equilibrio y configuración. 3-Las diferencias radican en el cálculo flash que realizan para resolver el equilibrio y las operaciones que involucran. 4-Las columnas de rectificación son los modelos de columnas más completos y complejos en UniSim Design ya que: ● Cuentan con mayor número de equipos. ● Requieren y permiten mayor número de especificaciones. Modelo de etapa “j”

Absorbedor

Columna de destilación Columna 1-Serie de etapas de equilibrio/desequilibrio. ● Las etapas de equilibrio se calculan por el modelo de la unidad flash. ● Dependen del sistema a simular (Eq L-V, L-L etc). 2-Balances de materia/energía en cada etapa.

ALGORíTMO “APROXIMADO” DE CáLCULO EN COLUMNAS Sea: “j”: una etapa de equilibrio de la columna. Y: una propiedad del sistema.

Relación Equilibrio Balance Materia y Energía

J J YEstimada        YCalculada

3

1

Etapa “j”

Hasta que YCalculada  Tolerancia del método de cálculo para Y

J YCalculada

 YExternal Loop



J 1 YEstimada

2

Etapa “j+1”

YExternal Loop  Factor Damping 1-No hay límites programados para el número de etapas y componentes a calcular. 2-Las dimensiones de la columna a calcular en UniSim Design dependen de la configuración del hardware y de la capacidad de memoria disponible.

FLOWSHEET PRINCIPAL VS SUBFLOWSHEET DE COLUMNA Cuando se ha finalizado de conectar corrientes a la columna, UniSim Design creó corrientes internas con el mismo nombre Los puntos de conexión sirven para conectar las corrientes del flowsheet principal con las corrientes del subflowsheet y de esta manera facilitar la transferencia de información entre los dos flowsheets. Main Flowsheet Environment

1-La columna es una unidad como cualquier otra. 2-La columna es una operación simple con múltiples alimentaciones y productos.

Column Environment

1-La columna se “descompone” en partes. 2-La columna se construye y se calcula por partes.

FLOWSHEET PRINCIPAL VS SUBFLOWSHEET DE COLUMNA Main Flowsheet Environment

Corrientes externas de la columna

Column Environment

Corrientes externas y corrientes internas de la columna

FLOWSHEET PRINCIPAL VS SUBFLOWSHEET DE COLUMNA

Main Flowsheet Environment

Column Environment

FLOWSHEET PRINCIPAL VS SUBFLOWSHEET DE COLUMNA

Column Environment

Main Flowsheet Environment El Column Environment tiene su propia paleta 1-Corrientes de materia y de energía. 2-Secciones de platos. 3-Condensadores. 4-Rehervidores. 5-Columnas. 6-Equipos de transferencia de calor. 7-Bombas/Válvulas. La paleta permite 1-Construir una columna por partes separadas.

FLOWSHEET PRINCIPAL VS SUBFLOWSHEET DE COLUMNA

Ventajas del entorno de columnas (Column Environment)

Limitaciones del entorno de columnas (Column Environment)

1-Las columnas se pueden calcular independientemente del resto de las unidades del diagrama de flujo principal. 2-Las columnas tienen su propio “SOLVER”. 3-Se puede usar un paquete de fluidos diferente para la(s) columna(s). 4-Las columnas pueden “construirse” por partes. 5-La columna puede construirse por más de una torre y calcularlas todas simultáneamente. 6-Se pueden efectuar cambios en la columna sin necesidad de recalcular todo el diagrama de flujo.

1-Definir una columna desde el entorno de columnas supone mayor control de información. Se debe especificar un mayor número de variables para que la columna quede completamente especificada. 2-Al retornar al diagrama de flujo principal, este se halla tal y como estaba al momento de entrar al entorno de columnas si desde el entorno de columnas se definen nuevas corrientes Estas no aparecen en el PFD del diagrama de flujo principal.

INSTALACIóN DE COLUMNAS EN UNISIM DESIGN

Desde la paleta de objetos MAIN FLOWSHEET

Desde el COLUMN SUBFLOWSHEET

Desde PREBUILT COLUMNS

Pulsar la tecla F12

Con INPUT EXPERTS

Sin INPUT EXPERTS

INSTALACIóN DE COLUMNAS EN UNISIM DESIGN Desde el COLUMN SUBFLOWSHEET

Corrientes de entrada INLET STREAMS

Internal Stream: pertenecen al COLUMN ENVIRONMENT

External Stream: se visualizan en el PFD del MAIN FLOWSHEET ENVIRONMENT

Corrientes de salida OUTLET STREAMS

INSTALACIóN DE COLUMNAS EN UNISIM DESIGN

Método Riguroso (DISTILLATION COLUMN)

INPUT EXPERTS 1-Asistente de UniSim para instalación de columnas y especificación de variables. 2-Sucesión de ventanas de contenido prefijado que conduce a la definición completa del sistema. 3-Contiene las variables que con mayor frecuencia se emplean en el diseño de columnas. 4-Recomendado para principiantes.

El Input Experts se activa/desactiva desde la sesión PREFERENCES de la ventana de HERRAMIENTAS

INPUT EXPERTS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN

Página 1 del INPUT EXPERTS

Información a ingresar en la página 1 del INPUT EXPERTS 1-Corrintes de materia y de energía. 2-Número de etapas (obtenida en el Short Cut Column). 3-Plato de alimentación (obtenido en el Short Cut Column). 4-Tipo de condensador. Las etapas se pueden enumerar en forma ascendente ó en forma descendente en STAGE NUMBERING. Las etapas son teóricas y no incluyen condensador y rehervidor. Para etapas reales se puede cambiar la eficiencia de todas ó de algunas de ellas. Para múltiple alimentaciones se debe usar INLET STREAMS. (especificar la etapas de ingreso de las alimentaciones). Para múltiples salidas se debe usar OPTIONAL SIDE DRAWS. (especificar las etapas de salida de cada corriente lateral y el estado en que se halla la corriente (líquida, vapor) ).

INPUT EXPERTS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Página 2 del INPUT EXPERTS Información a ingresar en la página 2 del INPUT EXPERTS 1-Presión en el condensador (obtenida en el Short Cut Column). 2-Presión en el rehervidor (obtenida en el Short Cut Column). 3-Pérdida de carga en el condensador.

Condensador total

Condensador parcial

En un condensador total la pérdida de carga es nula ya que la pérdida de carga que se produce en el condensador se compensa con la impulsión de la bomba que e s necesaria para impulsar la corriente de reflujo. En un condensador parcial la pérdida de carga no es nula ya que la pérdida de carga en el condensador y en el separador no son compensadas con la impulsión de la bomba que es necesaria para impulsar la corriente de reflujo.

INPUT EXPERTS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Página 3 del INPUT EXPERTS Información a ingresar en la página 3 del INPUT EXPERTS 1-Estimación de temperatura para el condensador (obtenida en el Short Cut Column). 2-Estimación de temperatura para el rehervidor (obtenida en el Short Cut Column). 3-Estimación de temperatura para el plato superior de la columna. La página 3 del INPUT EXPERTS puede saltearse ya que el cálculo no requiere de estos valores, aunque una buena estimación de los mismos facilita la convergencia.

INPUT EXPERTS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Página 4 del INPUT EXPERTS

Especificaciones a ingresar en la página 4 del INPUT EXPERTS 1-Relación de reflujo. 2-Caudal de destilado. Con estas dos especificaciones los grados de libertad de la columna son igual a cero. Por lo general, no se ingresan estas dos especificaciones sino que se ingresa como información los factores de recuperación de los componentes claves a los fines de lograr una convergencia rápida.

Después de ingresar toda la información, pulsar el botón DONE para salir del INPUT EXPERTS.

Si la columna hubiese tenido sistemas laterales (bombas, strippers, etc) se debe ingresar la información correspondiente en SIDE OPS.

INPUT EXPERTS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Pantalla de salida del INPUT EXPERTS

Grados de libertad en una columna de destilación

Esta pantalla muestra un resumen de la información introducida a través de las 4 páginas del INPUT EXPERTS, dónde aparece la leyenda “NO CONVERGENCIA” en color rojo ya que falta introducir las dos especificaciones de los factores de recuperación de los componentes claves.

GLC = SCM + CE - 2 GLC: grados de liberta de la columna de destilación. SCM: número total de salidas de corrientes de materia. CE: número total de corrientes de entrada y salida de energía. 2: tiene en cuenta el balance global de materia y de energía. Para aplicar la ecuación anterior se debe ingresar la siguiente información: 1-Alimentación que ingresa a la columna. 2-Presión de trabajo. 3-Número de platos. 4-Posisción del plato de alimentación. Columna con condensador parcial SCM: 3 CE: 2  GLC: 3 Columna con condensador total GLC: 2

ESPECIFICACIONES EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Especificar: asignar valores a determinadas variables. Variables Activas Son calculadas por los algoritmos de convergencia

Variables Estimadas El valor de partida puede ser modificado por el cálculo

Número de especificaciones = número de grados de libertad

Pestaña DESIGN  Página MONITOR

ESPECIFICACIONES EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Pestaña DESIGN  Página SPECS  ADD

Pestaña DESIGN  Página SPECS SUMMARY

Lista todas las especificaciones de la columna

Forma de seleccionar una especificación

Pulsar ADD para adicionar la especificación Lista de especificaciones

ESPECIFICACIONES EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Forma de introducir las especificaciones de los factores de recuperación de los componentes claves Pestaña DESIGN  Página MONITOR  ADD SPEC

Factor de recuperación del LK en el tope

Desactivar las especificaciones activas

Componente clave liviano (LK) Seleccionar y adicionar la especificación

Adicionar de forma similar el clave pesado en el fondo (HK).

ESPECIFICACIONES EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Cuando se logra convergencia de la columna (barra en color verde) significa que la columna ha sido resuelta. Las especificaciones realizadas

Dependen Información disponible del proceso

Determinan 1-Convergencia segura y rápida del cálculo. 2-Calidad de los resultados. 3-Tiempo de cálculo.

OPCIONES DE CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Las opciones de cálculo en columnas son básicamente modelos con algoritmos de cálculos numéricos complejos. Permiten 1-Aumentar la eficiencia del cálculo. 2-Garantizar la convergencia. 3-Resolver dificultades particulares de algunos problemas en estudio (presencia de azeótropos en la rectificación). 4-Orientar el cálculo en el sentido que interesa la usuario.

OPCIONES DE CáLCULO

MéTODOS DE CáLCULO Pestaña PARAMETERS  Página SOLVER

1-Máximo número de iteraciones. 2-Tolerancia de error de equilibrio. 3-Tolerancia de error de especificación y calor. 1-Sparse Continuation Solver. 2-Simultaneous Correction. 3-Oli Solver. 4-HYSYM Inside-Out. 5-Modified HYSYM Inside-Out. 6-Newton Raphson Inside –Out.

OPCIONES DE CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Máximo número de iteraciones En la mayoría de los cálculos de columnas el número máximo de iteraciones es de 10.000 en el “lazo externo” del algoritmo de cálculo. 1-El proceso de convergencia finaliza cuando se alcanza el número máximo de iteraciones. 2-El número máximo de iteraciones depende del método de cálculo numérico seleccionado. 3-Es recomendable ampliar el número máximo de iteraciones antes de iniciar un cálculo que sea presumiblemente complejo.

Tolerancias Es el error máximo permitido en la determinación de las diferentes variables. Existen dos tipos de tolerancia: 1-Tolerancia de error de equilibrio (Equilibrium Error). 2-Tolerancia de error de especificación y calor (Heat/Spec Error Tolerance).

Error de equilibrio Refleja el error en el cálculo de las fracciones molares de los componentes de la mezcla en la fase vapor para el equilibrio correspondiente.

OPCIONES DE CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Error de especificación y calor

j Heat,Spec

Error

     E Heat   ESpec  j  j 

j ErrorHeat, Spec

No. ecuaciones en el internal loop Error de calor j Heat

Error



EQj 

Q



J: etapas de equilibrio de la columna.

 5,0 10  4 Error de especificación

QIn  QOut 

Q

Flujo de calor promedio en cada etapa

Desbalance de flujo de calor en cada etapa Estos dos errores se deben tener en cuenta para. 1-Evitar soluciones meta estables (Máximos ó Mínimos locales) 2-Obtener satisfactorios balances de materia y energía en la columna

Error de especificación individual k: especificación n

ESpec 



k ESpec

k 1

Factor de normalización

OPCIONES DE CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Métodos de cálculo en columnas

Método de cálculo

Uso recomendado

Sparse Continuation Solver

Métodos basados en ecuaciones. Permite dos fases líquidas en los platos. Recomendado para sistemas fuertemente no ideales y destilación reactiva. Bueno para sistemas con interacciones químicas. Se puede usar en destilación reactiva. Para el cálculo de columnas con el paquete de fluido OLI-Electrolyte. Método de propósito general. Bueno para la mayoría de los problemas a resolver. Método de uso general. Recomendado con mezcladores, separadores e intercambiadores de calor en el subflowsheet de la columna. Método de uso general. Permite reacciones cinéticas en fase líquida en el subflowsheet de la columna.

Simultaneous Correction

Oli Solver HYSYM Inside-Out

Modified HYSYM Inside-Out

Newton Raphson Inside-Out

OPCIONES DE CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Controla la transferencia de información del “lazo interno” al “lazo externo” en el algoritmo de cálculo usado.

Factor Damping

En el “lazo externo” del algoritmo de cálculo numérico en columnas

Situación de cálculo

Factor damping

Separación de hidrocarburos desde desmetanización hasta debutanización.

1

Separación de no hidrocarburos incluyendo separación de aire, eliminación de nitrógeno etc.

1

La mayoría de las separaciones en petroquímica incluyendo la separación de C2= y C3=, BTX, etc.

1

Strippers de aguas trietilenglicol y otros.

ácidas,

separadores

con

0,25-0,5

Separaciones en sistemas fuertemente no ideales con y sin azeótropos.

0,25-0,5

FIXED: el factor de damping permanece constante de una etapa a otra. ADAPTIVE: el factor de damping puede variar según las necesidades del cálculo. AZEOTROPIC: cuando la mezcla a separar forma azeótropos.

EFICIENCIA DE ETAPA EN COLUMNAS DE DESTILACIóN Pestaña PARAMETERS  Página EFFICIENCIES

1-UniSim Design permite considerar la eficiencia de cada etapa individualmente. 2-Eficiencia tomada por defecto: 100% para todas las etapas. 3-Puede definirse cualquier otra eficiencia, es decir, eficiencia global ó por componente en cada etapa.

Eficiencia global. Eficiencia por componente.

Forma de incorporar un valor de eficiencia 1-Marcar la celda de la etapa. 2-Colocar el valor en Eff.Multi-Spec. 3-Hacer “clic” en Specify.

PRESENCIA DE DOS FASES LíQUIDAS EN COLUMNAS DE DESTILACIóN

Pestaña PARAMETERS  Página 2/3 PHASE Detecta la presencia de dos fases líquidas en cada plato

Si una segunda fase líquida es calculada aparece el caudal en L2 Rate

RIGOROUS: chequea una segunda fase líquida. PURE: chequea agua pura como segunda fase líquida.

1-Con la página 2/3 PHASE, UniSim Design permite verificar la presencia de dos fases líquidas en los platos de la columna. 2-El cálculo se sustenta en un modelo flash trifásico. 3-Esta operación es relevante sólo cuando se trabaja con destilación trifásica ó mezclas que para determinadas composiciones se pueden separar en dos fases líquida. 4-No se soporta por cualquier algoritmo de cálculo. Se recomienda emplear el Sparse Continuation Solver. 5-Es posible verificar la presencia de dos fases líquidas en todas las etapas, pero esta operación aumenta considerablemente el tiempo de cálculo.

RUN: permite la ejecución del cálculo.

EJECUCIóN Y RESULTADOS DEL CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN El desarrollo del cálculo se puede monitorear desde la página MONITOR en la pestaña DESIGN.

1 2

1-El calculo de columnas no tiene auto-ejecutable. 2-Una vez que se han introducido las especificaciones, se indica al programa la ejecución del cálculo mediante la tecla RUN. 3-Durante la ejecución del cálculo se puede detener a voluntad con la tecla STOP.

3 1

Registro de convergencia

2

Perfiles a lo largo de la columna para todas las variables

3

Variación de las variables especificadas en el cálculo

EJECUCIóN Y RESULTADOS DEL CáLCULO EN COLUMNAS DE DESTILACIóN 1-Es muy importante evaluar el desarrollo del cálculo para anticipar su resultado. 2-Según la evolución del cálculo, puede ser recomendable su detención para proponer nuevas estimaciones adicionales. 3-El tiempo aproximado de un cálculo normal (sin complejidades adicionales) de columnas puede ser de unos minutos. 4-Complejidades adicionales en el cálculo de columnas pueden darse en los siguientes casos: ● Destilación azeotrópica. ● Operaciones laterales. ● Columnas reactivas. ● Destilación trifásica. ● Valores estimados iniciales de las variables activas del orden de la tolerancia del cálculo.

1 Número de iteraciones Error de equilibrio

Registro de convergencia Error de especificación y de calor En las iteraciones 1, 2 y 3 no hay convergencia porque no se cumplen las tolerancias. En la iteración 4 hay convergencia porque se cumplen las tolerancias.

1,0 x 10-5

5,0 x 10-4

Tolerancias implícitas del simulador