Diseño Desetanizadora

PLANTA DE PURIFICACIÓN Y

RECOBRO DE ETILENO

UNEFM-ATEC-DEN-DP-5253-1010-14

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Fecha: 11/2014

Memoria de cálculo del diseño de equipos

1. Diseño de Columnas de Destilación

Método de cálculo del diámetro y altura de columnas.

El dimensionamiento preliminar de las columnas de destilación se realizó siguiendo el

procedimiento de cálculo y consideraciones propuestas por el autor Harry Silla, “Chemical

Process engineering, Design and Economics” (2003).

El diámetro de la columna de destilación se determinó a través del cálculo del diámetro en la

sección de enriquecimiento y en la sección de agotamiento, secciones demarcadas por la ubicación

de las alimentaciones.

A continuación se muestra el listado de ecuaciones asociadas al método:

Sumario de ecuaciones asociadas al cálculo del diámetro de la columna:

Ec. 1 (

)

Ec. 5.

Ec. 2. (

)

Ec. 6.

[

]

Ec.3. [

(

)

] Ec. 7.

Ec. 4.

Ec. 8.

Definición de variables:

A: Área proyectada (m2)

ml: Flujo molar del líquido (Kg/h)

Vv: Flujo volumétrico de vapor (m3/h)

Ml: Masa molar del líquido (uma)

vv: Velocidad de vapor (m/s) mv: Flujo molar del vapor (Kg/h)

D: Diámetro de la columna (m) Mv: Masa molar del vapor (uma)

kv: Factor de arrastre (m/s) k: Factor de inundación

l: Densidad del líquido (Kg/m3) : Tensión superfacial (dina/cm)

v: Densidad del vapor (Kg/m3) ZT: Espaciamiento entre platos (m)

Vs: Velocidad superficial (m/s)


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Sumario de ecuaciones asociadas al cálculo de la altura.

NRFTotal = NRF(por encima de la alimentación) + NRF(por debajo de la alimentación) Ec. 9.

Ec. 10.

Ec. 11.

Ec. 12.

Eo= f(f , f) Ec. 13.

Esbeltez =Z/D Ec.14.

1.1 Diseño de la columna desetanizadora (C-1202):

1.1.1 Localización del plato óptimo de alimentación.

Para determinar la ubicación más conveniente del plato de alimentación, al igual que en el caso

anterior de la columna desetanizadora, se simuló la operación de la torre variando el plato de

alimentación a través de toda la unidad mediante una opción iterativa a través de PROII, en la cual

se escoge la opción que requiere la menor carga calórica en el condensador y rehervidor. Para los

casos en los cuales la carga calórica no presentó diferencias apreciables, el criterio de selección se

realizó mediante el factor de separación, denominado factor “S”. Para la unidad C-1202, el plato

óptimo de alimentación seleccionado por el simulador es el plato 25. Correspondiendo a valores de

carga calórica de -21.770 MM*KJ/Hr para el condensador y 29.68MM*KJ/Hr para el rehervidor.

1.1.2 Determinación del diámetro y la altura de la columna.

Procedimiento de cálculo

Diámetro en el tope de la columna.

Determinación de factor de inundación (k).

De la ecuación 7 se tiene que el factor de inundación es función gráfica de dos parámetros (X y Y),

y éstos, a su vez son función de la densidad del líquido y del vapor y los flujos másicos del líquido

Ztotal : Altura total de la unidad (ft)

LS: Longitud de la sección más baja de una

columna (ft)

Z: Altura de cada sección de la unidad (ft) Nteo: Platos teóricos

NRF: Platos reales finales Eo: Eficiencia global (%)

NR: Platos reales FS: Factos de seguridad (%)


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y vapor, así como el espaciamiento entre los platos (ZT). Con la obtención de estos parámetros se

ingresa a la figura 7 y se obtiene el valor del factor de inundación.

Las propiedades del líquido y el vapor son tomadas del simulador para la zona de tope de la unidad

C-1202, a través del reporte de resultados, considerando la condición promedio del plato de tope

(etapa 2, plato 1), se tiene: (Ver figura 6)

Tabla 1. Espaciamiento entre platos para absorbedores, despojadores y fraccionadores.

Silla, H. (2003).

Tabla 2. Factores de seguridad para el dimensionamiento de fraccionadoras.

Ítem

Factor de seguridad

Columnas pequeñas

< 4 ft D

Columnas grandes

> 4 ft D

Altura empacada --- 0 – 15.0

Platos 20.0 10.0

Diámetro 15.0 0

Silla, H. (2003).

Para el flujo neto de líquido y vapor en el tope:

Figura 6. Propiedades promedio del vapor en el tope de la unidad C-1202.

PROII 8.0

Presión Espaciamiento entre platos

(ft)

Vacío 2.0 a 2.5

Atmosférica 1.5

Altas presiones 1.0


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[

(

)

]

⁄

, tomando un valor de 1.0 ft como espaciamiento entre platos por operar a altas presiones

(ver tabla 1). Y= 1 ft = 304,8 mm

Ingresando a la gráfica mostrada en la figura 6 se tiene: k= 0,059m/s

Figura 6. Factor de inundación para platos perforados, casquete de burbujeo, y platos de

válvula.

Silla, H. (2003)

Determinación del factor de arrastre (kv).

De la hoja de reporte de resultados del simulador, la tensión superficial para el líquido destilado de

la unidad C-1202 es = 3.476 dina/cm (ver figura 8).


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Figura 8. Propiedades de transporte promedio del líquido en el tope de la unidad C-1201.

PROII 8.0

Según el autor Silla, H. el factor de arrastre para sistemas que presentan tendencia a la formación de

espuma, es calculado mediante la ecuación 5.

⁄ (

⁄

)

Determinación de la velocidad del vapor (vv)

Sustituyendo valores en la ecuación 3, se tiene:

[

]

Flujo volumétrico del vapor (extraído desde PROII 8.0). Cabe destacar que los valores

de densidad y peso molecular utilizados en expresiones anteriores, adicionalmente se

muestran en la figura 9.

Figura 9. Propiedades promedio del vapor en el tope de la unidad C-1202.

PROII 8.0


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⁄

Determinación del área preliminar de la sección transversal de la columna para la zona

de enriquecimiento.

Sustituyendo valores en la ecuación 1, considerando como flujo superficial 2 ft (0.61 m/s), cuyo

valor es estándar para cálculo preliminar de diámetro, se tiene:

Determinación del diámetro preliminar del tope de la columna.

Despejando al diámetro de la ecuación 2.

√

√

Ya que el diámetro preliminar es mayor a 2.5 ft (0.7620 m), se elige como tipo de internos para la

sección de enriquecimiento de la columna platos, de acuerdo al criterio de selección establecido en

la bibliografía citada.

Determinación de la velocidad de flujo superficial para la zona de enriquecimiento

(Vs).

A partir de la ecuación 4 y sustituyendo el valor de vv previamente calculado.

Vs = 0.9*(

) Vs = 0.07

Determinación del área real de la sección transversal de la columna para la zona de

enriquecimiento.

Sustituyendo valores en la ecuación 1, considerando como flujo superficial Vs previamente

calculado, se tiene:


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Determinación del diámetro del tope de la columna.


√

√

Sumando el factor de seguridad (ver tabla 2):

D = (1 + 0) * 4.27 m = 4.27 m (14.01 ft)

Considerando el diámetro de comercial aportado por el simulador:

Figura 10. Resultados del dimensionamiento de los platos de tope de la unidad C-1202.

PROII 8.0

D=3048 mm = 3.048 m = 10.01 ft = 120.12 in.

Diámetro en el fondo de la columna.

Determinación de factor de inundación (k).

Las propiedades del líquido y el vapor son tomadas del simulador para la zona de fondo de la unidad

C-1202, a través del reporte de resultados, considerando la condición promedio del plato de fondo

46, se tiene:

Para el flujo neto de vapor en el fondo:


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Figura 11. Propiedades promedio del líquido en el fondo de la unidad C-1201.

PROII 8.0

[

(

)

]

⁄

, tomando un valor de 1.0 ft como espaciamiento entre platos por operar a altas presiones

(ver tabla 1). Y= 1 ft = 304,8 mm

Ingresando a la gráfica mostrada en la figura 12 se tiene: k= 0,039 m/s

Figura 12. Factor de inundación para platos perforados, casquete de burbujeo, y platos de

válvula. Silla, H. (2003)


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Determinación del factor de arrastre (kv).

De la hoja de reporte de resultados del simulador, la tensión superficial para el líquido de la unidad

C-1202 es = 3.149 dina/cm (ver figura 12).

Figura 12. Propiedades de transporte promedio del líquido en el fondo de la unidad C-1201.

PROII 8.0

Según Silla, H. el factor de arrastre para sistemas que presentan tendencia a la formación de espuma,

es calculado mediante la ecuación 5.

⁄ (

⁄

)

Determinación de la velocidad del vapor (vv)

Sustituyendo valores en la ecuación 3, se tiene:

[

]

Flujo volumétrico del vapor (extraído desde PROII 8.0).


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Figura 13. Propiedades promedio del vapor en el fondo de la unidad C-1201.

PROII 8.0

⁄

Determinación del área preliminar de la sección transversal de la columna para la zona

de agotamiento.

Sustituyendo valores en la ecuación 1, considerando como flujo superficial 2 ft (0.61 m/s), se tiene:

(

)

Determinación del diámetro preliminar del fondo de la columna.


√

√

Ya que el diámetro preliminar es mayor a 2.5 ft (0.7620 m), se elige como tipo de internos para la

sección de agotamiento de la columna platos, de acuerdo al criterio de selección establecido en la

bibliografía citada.

Determinación de la velocidad de flujo superficial (Vs).

A partir de la ecuación 4 y sustituyendo el valor de vv previamente calculado.


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Vs = 0.9*( Vs = 0.05

Determinación del área real de la sección transversal de la columna.

Sustituyendo valores en la ecuación 1, considerando como flujo superficial 2 ft (0.61 m/s), se tiene:

Determinación del diámetro del tope de la columna.


√

√

Sumando el factor de seguridad:

D = (1 + 0) * 4.633 m = 3.76 m ( ft)

Considerando el diámetro de diseño aportado por el simulador:

Figura 14. Resultados del dimensionamiento de los platos de tope de la unidad C-1201.

PROII 8.0


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D=2438 mm = 2.44 m = 8.01 ft = 96.12 in.

Altura de la columna.

Procedimiento de cálculo

Considerando una eficiencia global de diseño para columnas desetanizadoras de 110 % por encima

y por debajo del plato de alimentación de acuerdo a la norma de PDVSA MDP04-CF-14.

Determinación del número de platos reales (NR)

Aplicando la ecuación 11.

Determinación del número de platos reales totales (NRFtotal)

Empleando ecuación 12 y considerando un factor de seguridad de 10% de acuerdo a la tabla 2.

NRFtotal = (1 + 0.1)*40.91 platos reales = 45 platos reales finales

Determinación de la altura de la unidad.

Mediante la ecuación 10. Y considerando un Ls = 6 ft, aplicado para diseños rápidos de plantas.

Z = (45 platos reales*1 ft) + 6 ft + 4 ft

Z = 55 ft (16.764 m)

Determinación de la esbeltez de la columna (relación Z/D)

Utilizando la ecuación 18.

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