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DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
MULTICOMPONENTE PARA ALQUITRÁN DE HULLA
Pedroza Randy Jose1, Mogollon Raul Enrique2, Monsalve Jose 3
Miguel Ángel Mueses4
Programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, Cartagena D.T. y C., Bolívar, Colombia.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Resumen
En este trabajo se presentan los cálculos en el diseño de una columna de destilación que recupera
el benceno al 95% de una mezcla de alquitrán de hulla, mediante el método de la destilación
simple o fraccionada. Al tratarse esta mezcla de una mezcla multicomponentes se aplico el
algoritmo empírico FUG (Fenske, Underwood, Gilliland), y como resultado se obtuvieron
distribuciones de composición, carga térmica y de constantes de equilibrio en la alimentación,
destilado y residuo. Con todos estos resultados se analizo la selección de materiales y equipos
para el montaje de la torre. En pocas palabras el algoritmo FUG empleado para la separación de
los componentes se realizó con fines al diseño premilitar, estudios paramétricos para establecer
las condiciones óptimas de diseño, así como para estudios de síntesis del proceso para determinar
las secuencias óptimas de separación.
Palabras claves. Columna de destilación, bencene, multicomponentes, separación, diseño.
Abstract.
In this paper we present the calculations in the design of a distillation column that recovers the
bencene to 93% of a mixture of coal tar by the method of simple or fractional distillation. Since
this mixture of a multicomponent mixture empirical algorithm was applied FUG (Fenske,
Underwood, Gilliland) and being obtained distributions of composition, heat load and equilibrium
constants in the feed, distillate and residue. With all these results, analyze the selection of
materials and equipment for the assembly of the tower. In short the FUG algorithm used for
separation of the components was carried out with the design pre-military purposes, parametric
studies to establish the optimum design, as well as process synthesis studies to determine optimal
sequences of separation.
Keywords. Distillation column, benceno, multicomponent, separation, design.
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1. INTRODUCCIÓN.
En muchas operaciones industriales han de separarse mezclas multicomponentes y se requieren
extensos cálculos para determinar la distribución de los componentes en los productos y el diseño
de la torre. La destilación se utiliza muchos más que los otros métodos para la separación de
mezclas liquidas compleja, sin embargo los fundamentos pueden aplicarse a otras separaciones
tales como absorción o extracción multicomponente. Al igual que la destilación de mezclas
binarias en etapas de equilibrio, los cálculos de destilación de sistemas multicomponentes utilizan
los mismo principios básicos como balances de materia y entalpicos, y equilibrios liquido-vapor
para calcular puntos de ebullición y roció, y los conceptos de reflujo mínimo y total como casos
limitantes.
La mezcla propuesta para la destilación es alquitrán de hulla , la cual cuenta con alrededor de 260
componentes diferentes, de los cuales se pueden aprovechar unos 60 con fines comerciales, como
no es posible diseñar una torre de destilación para separar todos estos componentes, dado a lo
complejo que resultaría dicho proceso; el diseño de la torre la destilación para alquitrán de hulla
se enfocara en la separación de los 5 componentes principales : Benceno, Tolueno, Etilbenceno,
Naftaleno, m-cresol.
El alquitrán de hulla es un líquido natural de color negro o marrón que se deriva de la
descomposición de la hulla y la combinación de varios compuestos orgánicos; su destilación
requiere grandes equipos con altos consumos energéticos que involucran costos de instalación y
de operación considerables, por lo que el diseño de la misma exige estudios rigurosos de
optimización. Al diseñar la torre de destilación tenemos que tener en cuenta que un único
fraccionador no puede separar más de un componente en forma razonablemente pura a partir de
una solución de varios componentes; Por ende optamos por seleccionar el componente a obtener
prácticamente puro que en este caso será el benceno.
En este trabajo se propone una columna de destilación la cual se utilizara para separar la mezcla
de hidrocarburos mencionada, en las que se establecen unas condiciones específicas de
temperatura, concentración, alimentación, presión, etc., las cuales permitirán el control para el
diseño operacional y la utilización de la columna.
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El alquitrán de hulla ha estado desde el principio de la industria, este alquitrán se obtenía de
forma abundante y barata de la industria del gas de hulla en rápido desarrollo. Antiguamente en la
separación de los componentes del alquitrán de hulla no se lograba la pureza deseada para alguno
de estos, por ejemplo en los hidrocarburos aromáticos usados en la industria de los colorantes, los
cuales escaseaban tiempo atrás. De los muchos compuestos del alquitrán de hulla,
aproximadamente 50 de estos son comercializados en diferentes fines
En 1900 en gran Bretaña había una gran producción de alquitrán de hulla el cual tenía un costo
muy bajo, ya que en este año se dispuso de nuevos suministros de alquitrán por parte de la
industria del acero, hasta aquel momento la mayor parte del coque metalúrgico eran producidos
en las llamadas hornos de colmena, de los cuales los productos secundarios volátiles se
expulsaban a la atmosfera ocasionando problemas ambientales , estos hornos fueron sustituidos
por hornos de subproductos para reducir la contaminación ambiental y se recuperaba el alquitrán
y el gas.
La producción mundial de alquitrán de hulla en 1901 era de 2,5 millones de toneladas, 10 años
más tarde tan solo en Alemania se destilaba 1 millón de toneladas al año, en ese entonces los
subproductos estaban constituidos por 30000 toneladas de naftaleno, 4000 toneladas de
antraceno, 20 000 toneladas de benceno y 3000 toneladas de tolueno .En 1980 en Estados Unidos
bajo la producción de alquitrán de hulla debido a que cerraron varios hornos de coque por ende
los derivados de la destilación de alquitrán de hulla tuvieron que obtenerse del fraccionamiento
del petróleo. [17]
Actualmente el alquitrán de hulla se presenta como una alternativa al petróleo para la obtención
de los compuestos que este contiene, más específicamente, para la obtención de hidrocarburos
aromáticos que son compuestos utilizados a gran escala en las diferentes industrias, ya que a
diario el petróleo aumenta su demanda viendo que la oferta permanece prácticamente sin
variabilidad.
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2. METODOLOGÍA.
Para diseñar una columna de destilación de alquitrán de hulla se siguió un algoritmo por un
método empírico. El primer paso que se realizo fue la especificación de la alimentación, se
asignaron concentraciones mayores a los componentes más volátiles de la mezcla y composiciones
de menor proporción a los componentes menos volátiles, esto, con el fin de obtener una buena
estimación de las distribuciones de las especies en el destilado y el liquido de cola , pues el
algoritmo usado es un método meramente iterativo y la facilidad de la convergencia depende de
las especificaciones de las escisiones de los componentes claves y no claves en el destilado y
residuo teniendo en cuenta las concentraciones de las especies en la alimentación y las
propiedades termodinámicas de cada una de estas. Para empezar con el proceso iterativo primero
se definieron los parámetros de diseño. [12] [13]
La presión y condición térmica de la alimentación corresponde a condiciones conocidas de
corrientes que abandonan la etapa previa del equipo, por eso estas fueron seleccionadas como
otro parámetro de diseño. Para un mejor manejo con los cálculos se determino que la
alimentación entro al equipo como liquido saturado, y la presión y concentración de las especies
en esta corriente, como datos ya conocidos, además se calculó el punto de burbuja, información
necesaria para realizar el balance global de energía.
Se tuvo en cuenta que los limites de presión y temperatura son solamente orientativas y
dependen meramente de factores económicos, por eso el segundo factor de diseño que se escogió
fue la presión del condensador y se estimaron mínimas caídas de presión en este para los cálculos
del punto de burbuja del destilado y liquido de cola. De acuerdo con las condiciones de diseño lo
primero que se calculo fueron el número mínimo de etapas teóricas correspondiente a la
condición de reflujo total siguiendo el modelo matemático propuesto por Fenske.
Para las operaciones involucradas en el diseño operacional de dicha torre de destilación, se hará
uso del método Fenke-Underwood-Gilliland (FUG). Este método aunque solo es aproximado, se
utiliza mucho en la práctica con fines tales como el diseño preliminar, y estudios paramétricos
para establecer las condiciones óptimas de diseño, así como de secuencias óptimas de separación
en la síntesis de procesos
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Para la determinación de la relación de reflujo mínima se siguió el modelo matemático de
Underwood, luego al calcular el número mínimo de etapas en condición de reflujo total y la
relación de reflujo se procedió a calcular el número de etapas teóricas especificadas a la condición
de reflujo de operación de acuerdo con los modelados matemáticos propuestos por Gilliland.
Posteriormente, ya teniendo un esquema más amplio del diseño de la torre se localizo la etapa de
alimentación utilizando la ecuación de Kirkbride y por último se calculo las cargas calóricas del
rehervidor y del condensador por medio de las ecuaciones del balance de energía. Finalmente se
estudio el tipo de destilación que se debe realizar teniendo en cuenta las propiedades
termodinámicas de los componentes y en el diseño mecánico de la torre se determino el tipo de
plato que se debe utilizar y el diámetro de la torre.
Figura 1: Método FUG, algoritmo a seguir
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3. RESULTADOS Y ANÁLISIS.
Para la aplicación de los métodos em pír icos de diseño de columnas de destilación para múlti ples
com ponentes es de suma im por tancia la consideración de la ley de R aoult, pues estos métodos bien
son apr oximados, y sería un poco extenso el considerar las condiciones r eales del pr oceso, es decir ,
la no idealidad.
Para los difer entes cálculos que se r ealizar on se tuvier on en cuenta las siguientes pr o piedades de los
com ponentes del sistema:
Componente Punto de Ebullición (°C) Hv (KJ/mol) Cp (KJ/mol°C)
Benceno 80 30.72 0.1368 (6-60°C)
Tolueno 110.6 33.18 0.1695 (12-99°C)
Etilbenceno 136 35.57 0.1806 (30°C)
m-Cresol 202 45.53 0.2494 (21-197°C)
Naftaleno 217 40.45 0.2154 (87°C)
Tabla 1: Pr o piedades de los com ponentes
Del balance de mater ia de la torr e de destilación se obtuvo;
Componentes Destilado Residuoalimento (100
Kmol /h)
X Moles
(Kmol)%
recuperadoMoles
(Kmol)X
%recuperado
Moles(Kmol) X
Benceno 0.25 25 95 23.75 0.5031 5 1.25 0.02367
Tolueno 0.25 25 87 21.75 0.4608 13 3.25 0.06155
Etilbenceno 0.15 15 4 0.6 0.0127 96 14.4 0.2727
m-cr esol 0.20 20 4 0.8 0.0169 96 19.2 0.3636 Naftaleno 0.15 15 0,1 0.015 0.00032 99,9 14.985 0.2822
46.915 53.085
Tabla 2. Flujos y com posiciones de Alimentación, Destilado y r esiduo en torr e de Destilación.
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CALCULOS DE LA TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL ALIMENTO
ALIMENTACION
COMPONENTE % Recuperado X
n
(K
mol/hr) Pi^satK
yBenceno 1 0,25 25 1923,23135 2,53056757 0,632641893
Tolueno 1 0,25 25 826,364256 1,08732139 0,271830348
Etilbenceno 1 0,15 15 397,317707 0,52278646 0,078417969
m-Cresol 1 0,2 20 38,0603322 0,05007938 0,010015877
Naftaleno 1 0,15 15 31,9089081 0,04198541 0,006297811
F (Kmol/hr) 100 0,999203897
P (mmHg) 760
BUBL T (°C) 113,6
BUBL P (mmHg) 759,3949613
CALCULO DE LA TEMPERATURA DE ROCIO EN EL DESTILADO
DESTILADO
COMPONENTE%
Recuperado Y n (Kmol/hr) Pi^sat K x
Benceno 0,95 0,50623468 23,75 3290,7288 2,16495316 0,233831701
Tolueno 0,87 0,463604391 21,75 1507,20635 0,99158313 0,467539613
Etilbenceno 0,04 0,012789087 0,6 768,975534 0,50590496 0,025279623
m-Cresol 0,04 0,017052116 0,8 97,0406723 0,06384255 0,267096414
Naftaleno 0,001 0,000319727 0,015 76,6458687 0,05042491 0,006340659
D (Kmol/hr) 46,915 1,00008801
P (mmHg) 1520
DEW T (°C) 136,62
DEW P (mmHg) 1519,866236
CALCULO DE LA TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL RESIDUO
RESIDUO
COMPONENTE % Recuperado X n (Kmol/hr) Pi^sat K y
Benceno 0,05 0,023547141 1,25 9206,7768 5,89847156 0,138892144
Tolueno 0,13 0,061222568 3,25 4761,64523 3,0506256 0,186767132
Etilbenceno 0,96 0,271263069 14,4 2709,2755 1,73574149 0,470842563m-Cresol 0,96 0,361684092 19,2 569,575312 0,3649077 0,131981311
Naftaleno 0,999 0,282283131 14,985 395,69119 0,25350601 0,07156047
B (Kmol/hr) 53,085 1,000043619
P (mmHg) 1560,875
BUBL T (°C) 190,91
BUBL P (mmHg) 1560,943085
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Alimento Destilado Residuo
COMPONENTE
Benceno 60,27255302 42,9341966 23,26758097
Tolueno 25,89760372 19,6645478 12,03374084
Etilbenceno 12,45162343 10,0328374 6,846944198
m-Cresol 1,192780779 1,26609136 1,439444006
Naftaleno 1 1 1
Ta bla 6: volatilidades r elativas
CALCULOS
Parametrosde diseño
Nmin 2,685320553 3
1,734635902R_Dmin 0,88307968
R_Dreal 1,501235455
R/Rmin 1,7
X 0,247140178
Y 0,398265066
N 5,124491613 6
Log[Nr/Na] 0,734622503
Nr/Na 5,427783337
Na 0,933447767 1
Nr 5,066552233 5
Redondeando el númer o de etapas que se r equier en se encuentra una etapa corr es pondiente al
calder in, 1 etapas por deba jo de la alimentación y 5 más por encima de la alimentación.
Para este pr oceso se deter mino el uso de un condensador y r eher vidor total dado por las condiciones
de diseño pr eviamente fijadas teniendo en cuenta las r efer encias, es decir , las pr esiones de salida en
el to pe y el fondo de la columna.
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Calculos
L 70,43046139 (Kmol/hr)
V 117,3454614 (Kmol/hr)
L _ 170,4304614 (Kmol/hr)
V _ 117,3454614 (Kmol/hr)
Qc 1047,493612 KW
Qr 1283,915687 KW
PMprom 101,4900634 (Kg/Kmol)
B. 1,49655556 (Kg/s)
vap 2,665451611 (Kg/m3)
liq 1004,928417 (Kg/m3)Separacion 0,5 (m)
uv 0,877453324 (m/s)
Dc 0,902618163 (m)
Hc 3,5 (m)
De los r esultados anter ior es se obtuvo que el plato de alimentación vendr á siendo el segundo en la
columna, dado a que se calculo 1 platos en la zona de agotamiento y 5 en la zona de r ectificación.
En los cálculos se simulo el pr oceso con var ios valor es para la r elación de r eflujo, r esultando ser el
más eficiente el mostrado en la Ta bla 7 (R/Rmin=2), dado que con cantidades menor es de este valor
se obtuvier on valor es menor es para las car gas del condensador y el r eher vidor per o a su vez un
mayor númer o de platos, y con cantidades mayor es de este mismo valor se obtuvier on mayor es
demandas para el condensador y el r eher vidor r es pectivamente, lo cual es desf avora ble en mater ia
de ahorr o, per o con el mismo númer o de platos.
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Al finalizar los cálculos se analizo y or ganizo el esquema del pr oceso de la siguiente manera:
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4. CONCLUSIONES.
y Si se aumenta el r eflujo disminuyen el númer o de platos y la altura de la torr e ser á menor ,
ya que al r etor nar mayor liquido a la torr e se mejora el equilibr io ter modinámico en cada
plato, per o se debe tener en cuenta que mientras mayor es el r eflujo el sistema r equier e
mayor ener gía, por que los r equer imientos de r ef r igeración del condensador y de
calentamiento del r eher vidor son mayor es, por lo tanto se busca el punto o ptimo en los
cuales los costos sean mínimos. [13]
y La se paración de com ponentes que tienen apr oximadamente los mismos puntos de
ebullición es dif ícil de r ealizar por destilación sim ple y una se paración com pleta puede
r esultar im posible debido a la for mación para tales sistemas puede mejorar se la se paración
añadiendo un ter cer com ponente para modificar la volatilidad de los com ponentes este
pr oceso r ecibe el nombr e de destilación extractiva. La se paración de la mezcla or iginal
puede también f acilitar se añadiendo un disolvente que for me un azeotr o po con uno de los
com pontes claves.
.
y La torr e puede f a br icar se con difer entes mater iales según la condición de corr osión
encontrada para los com ponentes; algunos de estos com ponentes no son corr osivos y otr os
si es pr efer ible acer o inoxida ble
Por otr o lado para la mayoría de las instalaciones se utiliza acer o inoxida ble aunque no se
r equiera necesar iamente para la r esistencia a la corr osión además es un mater ial de fácil
lim pieza y pr esenta alta r esistencia a la oxidación, por estas características este ser á el
mater ial a usar en el monta je de la torr e.
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AGRADECIMIENTOS.
y Agradecimientos a Dios por la voluntad y for taleza para finalizar el tra ba jo y A nuestr os f amiliar es por pr estar atenciones y r ecur sos para el r ealizamiento del pr oyecto
y A la univer sidad de Car tagena por pr estar todos los ser vicios necesar ios
y Al pr ofesor miguel mueses por sus acesor ias y clases
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