Introducción de la destilación Introducción de la

Introducción de la destilación Introducción de la

Introducción de la destilación multicomponente en los
programas del Grado en Ingeniería Química a través de
casos prácticos
A. Gómez Siurana y A. Font Escamilla
Dpto. Ingeniería Química. Universidad de Alicante. Apdo. nº 99, 03080 Alicante. [email protected].
METODOLOGÍA
OBJETIVO
Se propone introducir algunas características y conceptos fundamentales
asociados a la rectificación multicomponente dentro de los programas de
Operaciones de Separación en el Grado en Ingeniería Química a través de
la resolución con un simulador de procesos químicos de un caso práctico.
De esta forma pueden conseguirse ciertas competencias relacionadas
con este tipo de procesos con relativamente pocas horas de trabajo
presencial.
EJEMPLO
Se propone la resolución de un caso típico que se lleva a cabo en una columna convencional. El análisis
del problema comienza por el planteamiento de las diferentes formas de separación de la mezcla, su
viabilidad, la selección de los componentes clave y la forma de expresar el grado de separación deseado
ya que se proporcionan muy pocos datos de partida. Para la resolución del problema se dispone de un
simulador de procesos químicos, en este caso ChemCAD. Para poder desarrollar con éxito la estrategia
que se propone en este trabajo se requiere que los estudiantes comprendan los conceptos
característicos de la destilación binaria y que conozcan el uso del simulador.
Diseño de un despropanizador que opera a presión constante de 2.17 MPa, para separar la
mezcla de hidrocarburos que se describe en la tabla 1, que se encuentra vaporizada en un 66%
Tabla 1. Composición del alimento (% mol) de un despropanizador
Paso 1. Resolver las cuestiones preliminares que marcan diferencias entre la rectificación binaria y la rectificación multicomponente
multicomponente::
Posibilidad de realizar diferentes separaciones aclarando que no todas las separaciones son viables.
Diferencia entre componentes clave y no clave y selección de componentes clave ligero (LK) y pesado (HK).
Análisis de los grados de libertad del problema y planteamiento del balance preliminar de materia.
Pautas de resolución del problema:
Bases para introducir
•
•
•
•
Diseño aproximado
Selección del óptimo económico
Simulación rigurosa
Componente
Metano
Etano
Propano
n-Butano
n-Pentano
n-Hexano
Composición
26
9
25
17
11
12
el método de
Fenske - Underwood y
Gilliland (FUG)
Paso 2.
Hacer un diseño aproximado de la columna: Aplicación del método de FUG.
FUG.
Aspectos a resaltar:
Método FUG
• Importancia de la selección del modelo termodinámico.
• Presentar las ecuaciones haciendo hincapié en las hipótesis simplificativas.
• Proporcionar material complementario y de trabajo autónomo sobre el método.
Límites de
operación
habituales
Una vez concluida la primera parte del ejercicio:
•
•
•
•
•
•
Comprobar el balance preliminar de materia.
Analizar los resultados obtenidos.
Repetir el ejercicio cambiando el tipo de condensador.
Estudiar los resultados del estudio de casos dentro de los límites de operación habituales.
Comprobar los comentarios realizados en las cuestiones preliminares.
Dado que la optimización del proceso queda fuera de los objetivos, seleccionar una
columna para proceder a la simulación rigurosa.
Corriente lateral
de vapor
Paso 3.
Lj-1
Vj
yij
HVj
Tj
Pj
Xi,j-1
HL,j-1 Líquido
Tj-1 procedente de la
Pj-1 etapa superior
Alimentación
zij
Válvula F
HFj
TFj
Válvula V
P
Carga L
Transferencia de calor
Etapa j
Qj
Aspectos a resaltar:
(+) desde la etapa
(-) hasta la etapa
Uj
Fj
Vapor yi,j+1
procedente de la HV,j+1
etapa superior Tj+1
Pj+1
Vj+1
Simulación rigurosa de la columna:
• Se propone utilizar únicamente el módulo SCDS que utiliza un método corrección simultánea, que si bien no es
sencillo de aplicar y desarrollar, es fácil de comprender conceptualmente.
• Se define una etapa genérica y se explica que la resolución del problema requiere suponer un perfil inicial para
las variables del problema e ir calculando las correcciones por el método de Newton-Raphson.
Wj
Fj
Componentes clave
y grados de
recuperación
Corriente lateral
xij
de líquido
HLj
Tj
Pj
•
•
•
•
Especificaciones para número de pisos y posición del alimento seleccionadas en la etapa de diseño aproximado.
Análisis de los grados de libertad y posibilidades de especificación en la cabeza y en las colas (u otras alternativas).
Distinguir entre especificaciones convenientes para el diseño y para facilitar la resolución del problema.
Estrategias para facilitar los cálculos en el caso de problemas de difícil convergencia.
Lj
Etapa genérica para los métodos de corrección
simultánea de simulación rigurosa de columnas
Paso 4.
Análisis de resultados:
Selección
adecuada del
condensador
• Analizar los balances de materia y energía. Comparar con los
resultados de la simulación rigurosa con los del método de FUG.
• Repetir el ejercicio cambiando las especificaciones.
Comportamiento
de LK y HK en los
extremos de la
columna
Efecto de la
posición del piso
de alimentación
Resultados del
diseño
aproximado
• Obtener la información necesaria para el
dimensionado y diseño de dispositivos
internos a partir de los perfiles de la columna
• Analizar los perfiles de composición:
comportamiento peculiar de los componentes
clave, fenómeno de destilación inversa y
efecto de la posición del piso de alimentación
CONCLUSIONES
Buena parte del tiempo disponible para las materias de
Operaciones de Separación en los estudios de Grado se
invierte en el estudio de la destilación binaria. Se propone
una metodología que permite introducir la problemática del
caso multicomponente en 4-6 horas de trabajo presencial
mediante la resolución de un caso práctico con el simulador
de procesos químicos. Con los conceptos básicos adquiridos
previamente y poco tiempo se puede resolver un problema
que les da a los alumnos una visión sobre la rectificación
multicomponente utilizando materiales de apoyo y
simuladores comerciales.
REFERENCIAS
o Seader, J.D., Henley, E.J. Separation Process Principles. John Wiley & Sons Inc. (2006)
o Kister, E.Z. Distillation. Design, McGraw-Hill (1992).
o Wankat, P.C. Separation Process Engineering. Prentice Hall (2007).
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King, C.J. Separation Processes. McGraw Hill Inc. (1980)
http://iq.ua.es/Destilacion/index.htm
http://iq.ua.es/MetAprox/
Marcilla Gomis, A. Introducción a las Operaciones de Separación. Cálculo por Etapas de Equilibrio. Publicaciones U. Alicante (1998).