22. COLUMNA DE DESTILACION SIMPLIFICADA 1. OBJETIVOS

1.1. Especificar en forma simplificada una columna de destilación 1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación

mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand 2. INTRODUCCION Uno de los procedimientos mas usualmente utilizados para obtener estimativos simplificados de número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación es el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand. Correlación de Gililand Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo total, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, y la relación de reflujo de operación, R. Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica de Gililand que fue publicada en la revista “Hydrocarbon Processing” de Septiembre de 1975 y que tiene la siguiente forma:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

−=+

− 5688.0

1175.0

1 R

RR

N

NN mm (22.1)

Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos Para sistemas de volatilidad relativa constante, α, Fenske demostró una ecuación para el número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones en el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es

HKLK

LKW

HKW

HKD

LKD

m

X

X

X

X

N/

,

,

,

,

ln

ln

α⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

= (22.2)

17

17.1

17.2

Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave pesado se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (22.2). Conocido éste se pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes con sus respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación Ecuaciones de Underwood para calcular la relación de reflujo mínimo Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones demostradas por Underwood Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (22.3) se utiliza para calcular la variable θ, y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado

qXn

i i

Fii −=−∑

=

11

,

θαα

(22.3)

Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del alimento La segunda ecuación de Underwood (22.4) utiliza el valor de θ, calculado con la ecuación (3) para estimar la relación de reflujo mínimo.

m

n

i i

Dii RX

+=−∑

=

11

,

θαα

(22.4)

Una solución exacta de este par de ecuaciones requiere de un procedimiento de ensayo y error Relación de reflujo de operación Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la columna pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en un intervalo dado por

142

17.2 .

17.3

17.3

17.4

17.4

3.1/03.1 << mRR (22.5)

Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de reflujo de 1.2 veces la mínima 3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION HYSYS dispone de una columna de destilación simple con reflujo denominada “Short Cut Distillation” que es calculada con el procedimiento corto de Fenske-Underwood-Gililand. Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de platos para una separación deseada expresada en términos de las fracciones de recuperación de los componentes claves y de las presiones en el tope y en fondo de la columna y con la ecuación de Underwood se calcula el reflujo mínimo conociendo la especificación completa del alimento. Especificando una razón de reflujo para la operación de la columna se calculan los flujos de vapor y líquido en las secciones de rectificación y agotamiento, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, el número de platos ideales y la localización óptima del plato de alimentación. “Short Cut Distillation” es solamente un estimativo del comportamiento de la columna y está restringida a columnas simples con reflujo. Para resultados más reales debe usarse la operación “Distillation Column” rigurosa. Esta operación puede suministrar estimativos iniciales para la mayoría de las columnas simples. Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos

1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6 c. Unidades: Field

2. Instale una corriente con el nombre “Alimento”con las siguientes especificaciones

a. Temperatura: 200 °F b. Presión: 100 psia c. Flujo: 1300 lbmole/h d. Composición (Fracción Molar)

i. Etano 0.0148 ii. Propano 0.7315

iii. i-Butano 0.0681 iv. n-Butano 0.1462 v. i-Pentano 0.0173

vi. n-Pentano 0.0150 vii. n-Hexano 0.0071

143

17.5

3. Haga clic sobre el icono de nombre “Shortcut Column” que se encuentra en la paleta de objetos y observe que la cruz verde en su parte superior se ha activado. Haga clic sobre ella y se instalará la columna de destilación simplificada y se desplegará su ventana de propiedades

4. En la página “Connections” de su pestaña “Design” conecte las corrientes de

entrada y salida y las corrientes de energía como lo indica la Figura 1.

Figura 1. Corrientes de materia y energía conectadas a la columna

5. Haga clic para desplegar la página “Parameters” seleccione al propano como el componente clave liviano y al i-butano como el componente clave pesado, introduczca las especificaciones requeridas en los grupos “Components” y “Pressures”. Observe, Figura 2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de reflujo mínimo mediante la ecuación de Underwood.

6. Haga clic, sobre la pestaña “Peformance” para que observe, Figura 3, que HYSYS

ha calculado el número mínimo de etapas, mediante la ecuación de Fenske, y las correspondientes temperaturas de rocío, en el condensador, y de burbuja, en el rehervidor.

7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro “External Reflux Ratio” del grupo “Reflux

Ratios” de la página “Parameters”. Observe, Figura 4, que con esta especificación HYSYS completa los cálculos de algunos parámetros que expresan el desempeño de la columna como el número de etapas y los flujos materiales y calóricos requeridos en la operación de la columna

144

8. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las especificaciones de las corrientes “Destilado” y “Fondos”. ¿Se cumplen las especificaciones introducidas con respecto a las concentraciones de los componentes claves?

Figura 2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima

Figura 3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja

El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura 5. 4. CASOS DE ESTUDIO

4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los reportados por HYSYS

145

4.2. Utilice la ecuación de Fenske para verificar el cálculo del número de etapas mínimo requerido en la operación de la columna

4.3. Utilice la ecuación de Underwood para verificar la relación de reflujo mínima requerida en la operación de la columna

4.4. Utilice la correlaión de Eduljee para verificar el cálculo del número de etapas reales requeridos en la operación de la columna

Figura 4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación

Figura 5. Diagrama de flujo de la columna de destilación

146