Planta química per a la producció de FREÓ-13 · El disseny esfèric és el més eficient de cara a la pressió que pot ... Es tata du v Àalo ue es do va e fu vi ... U op sha disseat

Planta química per a la

producció de FREÓ-13

Autors:

Caterina Bartomeu García Diego Chipantasi Quispe Anabel Romero Jimenez Manel Rovira Blanco Alberto Sánchez Rodríguez Tutor:

Carles Solà i Ferrando

Titulació:

Grau en Enginyeria Química

5 de Juny de 2015

1

10.DISSENY D’EQUIPS DE PROCÉS

2

ÍNDEX

DI““ENY D EQUIP“ D EMMAGAT)EMATGE .................................... ¡Error! Marcador no definido.

Introducció ................................................................................................................................ 3

Tancs d e agatze atge ......................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Ta d e agatze atge d à id fluo híd i a hid e HF ................................................... 11

Ta d e agatze atge de tet a lo u de a o i CCl ................................................ 18

Ta d e agatze atge d à id lo híd i HCl ................................................................ 25

Ta d e agatze atge de FREÓ-13 ................................................................................ 32

Ta d e agatze atge de pe ta lo u d alu i i ........................................................... 39

Tancs pulmó ........................................................................................................................ 40

3

11.1. Ta s d’e agatze atge

11.1.1. Introducció

Es considera tanc o recipient a qualsevol contenidor capaç d e agatze a u fluid a p essi

manomètrica, ja sigui a pressió interna o externa i independentment de la seva forma o

dimensió.

El disse dels e uips s ha at e a u es o es ue pe eti la se a apli a i i i stal·la i a

una planta química. Existeixen un conjunt de normes o estàndards que es poden aplicar i

complementar, com són les API (American Petroleum Institute), les normes ASME (American

Society of Mechanical Engineers), les DIN (Deutsches Institut für Normung), etc.

E el as d a uest p oje te, ta t el disse de ta s de p o s o els d e agatze atge es

duen a terme amb la normativa ASME (secció VIII divisió 1). Aquesta cobreix el disseny, la

selecció dels diferents equips, el material en funció de les condicions de treball (temperatura

p essi , esfo ç à i , o osi , els ite is d ap o a i , i spe i , et .

Selecció del material

El material es seleccionat en funció del tipus de component químic que es vulgui

e agatze a i de les se es p opietats. “ ha de te i e o pte l estat del eactiu o producte

a e agatze a , la apa itat de o osi ue t l esp ie so e el ate ial de disse .

E istei e u a ga a olt a pla de ate ials de o st u i ue a des de l a e i o ida le

convencional fins a materials polimèrics o ceràmics. En el as d a uest p oje te es ol t e alla

a p odu tes olt o osius, o l à id fluo híd i , l à id lo híd i , et . Pe ta t, s ha

d es olli els ate ials e essa is pe ga a ti la du a ilitat dels e uips i la segu etat de la

planta.

Selecció del tipus de recipient.

P i e s ha de ealitza u a sele i del e ipie t e fu i de l ús ue hagi de dese olupa .

Segons la seva utilització es poden classificar en:

a) Emmagatzematge (mescla, acumuladors, etc.)

b) Procés (reactors, columnes, bescanviadors de calor, etc.)

4

E sego llo s ha d es olli la fo a la fo a el ta pod a se :

Esfèrics

Cilíndrics (Horitzontals, Verticals)

El disseny esfèric és el més eficient de cara a la pressió que pot suportar el tanc, però la seva

construcció és més complicada i fa que el preu augmenti. Per aquest motiu, el disseny més

utilitzat sol ser el de tanc cilíndric, que és més versàtil i econòmic.

Tipus de Capsal

U op s ha es ollit el tipus de e ipie t i e el as ue a uest sigui u ili d e, s ha d es olli el

tipus de capsal:

Capsal Pla.- A uest tipus de apsal s utilitza ua es ol t e alla a p essi at osf i a, ta

es solen utilitzar per la fabricació dels fons de tancs que treballen a pressió major que

l at osf i a.

Capsal Pla amb cella.- Aquest tipus de apsal ta s utilitza pe t e alla a p essi

atmosfèrica, però a diferencia del capsal pla, té un límit dimensional de 6 metres de diàmetre.

Té com a avantatge el seu baix cost, associat a la facilitat en la construcció i dimensionament.

Capsal cònic o toricònic.- El apsals a a uest tipus de geo et ia s utilitze e ge e al o a

fons de tanc, on hi pot haver acumulació de sòlids, no tenen limitació en dimensionament,

pe si e ua t a l a gle del te , ue o ha de se ajo a º.

“ utilitza a el aps i s pe els ta s d e agatze atge ue t e alli a p essi

atmosfèrica.

Capsal de geometria esfèrica.- Es poden trobar varis capsals amb aquesta geometria, però els

s utilitzats a l i dust ia s els semiesfèrics, semielíptics, toriesfèrics.

Els capsals toriesfèrics són els que més acceptació tenen dins la industria química, per tant,

se a el tipus de apsal ue s utilitza à al disse d e uips d a uest p oje te ua es t e alli a

pressió.

5

La principal característica dels capsals toriesfèrics és que el seu diàmetre esfèric es pot

aproximar al diàmetre del tanc. Es poden dissenyar amb diàmetres entre 0,3 i 6 metres.

Per altra part, els capsals semielíptics i semiesfèrics s utilitze ua l espesso del apsal

toriesfèric és elevat i per tant tamb el ost. “i s utilitze apsals se iesf i s es pot disse a

el tanc a la mateixa pressió i amb menys gruix de paret amb limitacions respecte el diàmetre

Gruix de les parets

U op espe ifi at el tipus d e uip, ai í o el tipus de apsal, s ha de al ular el gruix, tant de

la se i ilí d i a o dels aps. A uesta a ia le s o t itja ça t les di e sio s e te es o

internes del tanc, així com variables pròpies del procés, com poden ser la pressió interna o

externa, la corrosió etc.

El gruix de la paret vindrà especificat mitjançant la norma ASME, tenint en compte que se li ha

d afegi el g ui o espo e t a la o osi ue pati à el ate ial e /a .

Ta se li ha d afegi el g ui de e o i e t en el cas de treballar amb substàncies molt

corrosives, com es el cas de l à id fluorhídric o clorhídric. Els dipòsits per aquestes substancies

aniran recoberts de polímers d alta de sitat o tefl .

A o ti ua i es p ese te les e ua io s ue s utilitza a pe el disse dels ta s d a uest

planta:

Gruix del cilindre.- per el càlcul del gruix dels cilindres que conformaran els e uips s utilitza a

la figura i equació mostrades a continuació:

Figura 11.1. Gruix del cilindre.

� � = · �− . + . .

On:

- [P] és la pressió de disseny en bars

6

- [Rint] és el radi intern del cilindre en unitats de longitud - [S] s la te si a l esfo ç del ate ial e a s - [E] és el factor de soldadura - [C1] es el factor de corrosió en unitats de longitud, normalment mm/any.

Gruix de cap toriesfèric.- Per el càlcul del gruix dels caps toriesferics s utilitza à

Figura 11.2. Il·lustració del cap toriesfèric.

= · ·− . + .

On:

- [L] es el radi del capsal, que es pot aproximar al diàmetre del cilindre.

Gruix de capsal Cònic.- El capsal cònic s utilitza à per el disseny dels capsals superiors dels

ta s d e agatze atge ue t e alle a p essi at osf i a, la se a e ua i de disse es

presenta tot seguit:

Figura 11.3. Il·lustració del capsal cònic. = ·· � · − . + .

On:

7

- [α ] es l a gle de itja se i cònica, que pot tenir un màxim de 30º C.

Variables de disseny

A continuació es descriuen les variables a especificar i la seva forma de càlcul:

Pressió d ope a i Po i de disse P .- La p essi d’ope a i és com es denomina a la pressió

de treball i és la pressió manomètrica a la que serà sotmès el recipient operant amb

normalitat.

La pressió de disseny s esta lei e fu i de la p essi d ope a i tenint en compte les

equacions:

Si Po > 20.67 bar aleshores: = . · .

Si Po< 2.067 bar aleshores: = + . + ℎ .

Pressió Hidrostàtica (Ph).- La pressió hidrostàtica és aquella que es produeix al recipient a

ausa de la olu a de fluid i s ha de te i e o pte so e tot a e ipie ts e ti als. La se a

estimació es realitza de la següent manera:

ℎ = . · · . [bar]

On Sta i Std són els esforços del material a la temperatura ambient i de disseny

respectivament.

També es pot calcular amb la relació:

ℎ = · · ℎ [ ] .

Esforç a la tensió [S].-És l esfo ç à i al ue es pot sot et e u ate ial e o di io s

d ope a i o als. El alo ue se li sol do a s u % l esfo ç últi a la te si e u itats

de pressió.

Eficiència a la soldadura [E].- Es t a ta d u alo ue es do a e fu i del g au de o fia ça

ue ge e a la soldadu a. Co a alo típi e a uest p oje te s es ull 0.85.

Sobre-espessor [C1].- És el valor que cal afegir al gruix estimat per operació normal, degut a

fa to s o la o osi o l a asi e à i a dels e ipie ts.

8

La tole à ia a la o osi es u dels fa to s i po ta ts a l ho a d es olli u ate ial per

la o st u i d u e ipie t d e agatze atge. Pe ta t, s ha d esta li u alo C e

funció de la corrosió esperada (mm/any) i afegir-la al g ui esti at pe l ope a i e la

normalitat. Sol ser un valor que oscil·la entre 1 i 6 mm en materials o l a e i o ida le.

Factor M.-A uest s u fa to ue s apli a e el àl ul dels aps to iesf i s, i ue d a u a

relació entre el radi intern del cap (L) i el radi intern de la cantonada (r). Es pot estimar de la

següent manera:

= + , .

També es una dada que es pot trobar tabulada.

Temperatura de disseny.- La temperatura de disseny [T] es determina sumant-li entre 20 i 25

ºC a la te pe atu a d ope a i [To] pe otius de segu etat.

= + º .

Pes dels tancs.- U op s ha disse at i di e sio at el ta s ha de al ula el seu pes uit i ple

de lí uid pe tal de dete i a l esfo ç al ue es eu a sot esos els supo ts del ta . Cada

tanc tindrà un pes en funció de la seva geometria i material.

Emmagatzematge de matèries primeres.

A CADMA chemicals, s e agatze a a les següe ts su stà ies o a at ies p i e es:

a) Àcid fluorhídric anhidre (HF 99%)

b) Tetraclorur de Carboni (CCl4 99%)

Totes les substancies han de ser lo més pures possibles, intentant que no continguin aigua per

evitar possible reaccions no desitjades, corrosió dels aparells o la desactivació dels

catalitzadors.

Emmagatzematge de productes

A la CADMA chemicals s e agatze a a els següe ts p odu tes i su p odu tes:

9

c) FREÓ-13 (CClF3, producte principal)

d) Àcid clorhídric (HCl 30%, subproducte)

En el cas del FREÓ-13 s ha optat pe t e alla a p essi at osf i a i a te pe atu es

criogèniques. Fet que obliga a la utilització de nitrogen per mantenir-lo a temperatures baixes.

Pe alt a pa t l à id lo híd i s e magatzemarà diluït al 30 % màssic i en condicions normals

de pressió i temperatura (1 atm i 25ºC).

Capa itat d’e agatze atge

Per p odui to es l a de FREÓ-13 s ha de ga a ti ue la ua titat e agatze ada

de les matèries primeres sigui la correcta. Ta s ha de te i e o pte ue es pode

produir imprevistos i que aquests poden aturar la producció, com son la mancança de reactius

o lots o ta i ats d a uests.

E el as d a uesta pla ta, s ha de idit te i ta s d e agatze atge a apa itat pe 18

dies. Sent realment útils 15 dies operant amb normalitat i tres dies més per imprevistos a la

p odu i i el t a spo t, ta t e l a i ada de ea tius o e la so tida de p odu tes.

Venteig

Tots els o te ido s o e ipie ts hau a de disposa d u sistema de venteig. Aquests

pe ete a te i la p essi o sta t di s el e ipie t e ope a io s d e ple at o

buidament dels tancs, així com també quan es produeixen canvis a la temperatura ambient,

evitant deformacions a causa de buit o de sobrepressió.

El disseny dels ventejos es pot trobar al corresponent MIE-APQ del Real Decreto 379/2001. En

aquests s espe ifi ue u a sèrie d e ua io s pe el àl ul d a uest tipus d i st u e t als ta s

d e agatze atge.

Pe e uips ue t e alle a p essi , a uesta o ha d augmentar en un 10% respecte la pressió

del tanc. El cabal de venteig en kg/h pot ser trobat amb:

= .

Per el cas de tancs que treballen a pressió atmosfèrica el cabal del Venteig pot ser calculat de

la següent manera:

10

= . ·· √ .

On:

- [L] es la calor latent de vaporització en kJ/kg - [M] és el pes molecular kg/kmol - [Q] és la calor rebuda en kJ/h en cas de foc extern i que es pot calcular amb la següent

equació: = . · · . · .

On:

- [A] és la superfície humida en m2 del recipient i es calcula en base al 55% de la supe fí ie d u a esfe a o el % de la supe fí ie total d u ili d e

- [F] és el factor de reducció que sol prendre valors de 1 o 0.5 en cas de cubetes a distància.

Cubetes de retenció

Per norma general els recipients de superfície d emmagatzematge hauran de disposar de

cubetes de retenció. En aquestes els tancs no poden estar disposats en mes de dos files, sent

precís que cada filera tingui un carrer o una via adjacent que permeti la intervenció dels equips

antiincendis i emergències.

La distà ia e t e la pa et i el e ipie t ha de se í i d u et e, se t e els ta s

d e agatze atge a CADMA chemicals de 1.5 metres. A més a més totes les cubetes hauran

de tenir una pendent per garantir que no hi hagi acumulació de líquid i aquest pugui ser drenat

amb més facilitat.

En quant a la capacitat de les cubetes, si aquestes contenen un recipient, la capacitat de la

cubeta ha de ser equivalent a la no existència del tanc, és a dir, haurà de contenir tot el volum

de líquid del tanc en cas de vessament. “i e t dos o s ta s, la apa itat s esta lei e

funció del tanc amb més capacitat, descomptant el volum de tots els recipients que quedarien

submergits excepte el de més capacitat.

Si es tracta de líquids de la classe A2, aquests recipients hauran de tenir cubetes a distancia

que permetin com a mínim contenir el 20% de la capacitat total dels tancs, el tancs estaran

rodejats per murs amb una alçada màxima de 1 metre.

11

Les parets de los u etes ha de se d u ate ial ue supo ti l alçada total del lí uid,

resistents a la combustió i la corrosió, i si cal poden dur un recobriment.

L alçada à i a de de les pa ets hau à de se de , pe te i u a o a e tila i i la

pendent serà o a í i d u % .

11.1.2. Ta d’e agatze atge d’à id fluo híd i a hid e HF

Els ta s d e agatze atge d à id fluo híd i s ha de disse a e fu i a les o es

especificades a la ITC-MIE-APQ-006 i 007, corresponent al emmagatzematge de productes

líquids o osius i t i s. “egui a uestes o es pe et la i pla ta i d a uet tipus d e uip

maximitzant la seguretat en cas de fallada, i intentant minimitzar els danys de les pròpies

i stal·la io s i del pe so al ue hi t e alla. Pe el disse e à i s ha utilitzat el codi ASME

o a a s s ha e pli at.

Co ja es o ei , l à id fluo híd i s u a su sta ia olt o osi a i t i a, fe t ue el disse

dels equips que treballen amb aquest àcid hagin de tenir característiques especials, sobre tot

de cara a la selecció dels materials.

Tot seguit, es presenta un resum de les especificacions dels tancs de HF a la taula 11.1.

Taula 11.1. Resum de les característiques dels tancs.

Paràmetre Valor

Nº tancs 3

Volum de cada tanc (m3) 150

Volum de líquid a cada tanc (m3) 120

Dint, Diàmetre interior cilindre (m) 4.25

L/H, Alçada/Longitud del equip (m) 11.44

Alçada de líquid (m) 3.4

tcil, Gruix del cilindre (mm) 12

tcapsal, Gruix del capsal (mm) 16

Dext, Diàmetre exterior del cilindre (m) 4.278

P, Pressió de disseny (bar) 4.92

T, temperatura de disseny (ºC) 45

E, Factor de soldadura 0.85

M, relació de radis toriesfèrics 1.54

Pes de l e uip uit kg 13483

Pes de l e uip ope a t kg 129703

Pes de l e uip total e t ple kg 158758

12

CONDICIONS D’EMMAGAT)EMATGE

Segons la normativa vigent, ITC-MIE-APQ , l à id fluo híd i s u a su sta ia de la lasse A ,

s a di , u s su sta ia li uada a dife e ts o di io s d e agatze atge.

“ ha de idit e agatze a l à id fluo híd i e les següe ts condicions per tal de tenir-lo

liquat.

Taula 11.2. Co di io s d’e agatze atge de HF a hid e.

Temperatura (ºC) 25

Pressió (atm) 2,5

Densitat HF (kg/m3) 968,5

Per altra part, els materials de construcció del tanc seran els mostrats a la taula 11.3.

Taula 11.3. Característiques del material del tanc.

Material AISI 316L

Densitat AISI 316L (kg/m3) 7861

Tensió AISI 316L (atm) 1272,5

Recobriment Tefló

Capa itat d’e agatze atge de HF a hidre

A la planta de FREÓ-13 es necessitarà un corrent fresc de 800.24 kg/h d à id fluo híd i

a hid e pe ga a ti la p odu i del ef ige a t i a s a es, pe ga a ti l a ti a i del

SbCl5.

Això vol dir que el consum diari de HF serà de 19206 kg/dia, equivalent a 19.83 m3/dia. Aquest

da e alo s o t ela io ant el corrent màssic amb la densitat del líquid (968,5 kg/m3) en les

condicions de emmagatzematge.

L sto k esta le t se à de dies t e alla t a la o alitat i de t es dies s si hi ha algu a

i id ia. Pe ta t, el disse dels ta s d e agatze atge hauria de correspondre a 18

dies, és a dir, aproximadament 356.95 m3.

U op dete i ada a uesta ua titat, s ha de al ula el o e de a io s ue po ta a

l à id. “ ha de te i e o pte ue els a io s iste a sole te i olu s de , , 3.

En aquest cas es seleccionaran camions de 30 m3. Per tant el nombre de camions serà:

13

= . = . ≈ .

En les pitjors de les condicions, és a dir, havent consumit també la matèria primera de

seguretat arribaran 16 camions de HF anhidre, i per tant, es portaran un total de 360 m3 de HF

a hid e, se t a uesta la ua titat fi al ue hau à a la pla ta u op s hagin descarregat tots

els camions.

DISSENY MECANIC

Tipus de tanc

A l ho a de t e alla a HF s ha d opta pe utilitza ta s a p essi . E a uest as, els ta s

seran cilíndrics amb capsals toriesfèrics. La disposició de cada tanc serà horitzontal, ja que

aquesta posició permet una distribució més uniforme de les tensions provocades per la pressió

d ope a i i pe l alçada del lí uid. El ate ial utilitzat se à AI“I L a e o i e t de

polietilè reticulat per garantir la resistència a la corrosió, també es poden utilitzar altres

materials de recobriment con el tefló. La temperatura de disseny serà 45 ºC.

Es dissenyaran dos tancs per emmagatzemar el HF anhidre, cadascun amb una capacitat de

150 m3 amb un contingut de 120 metres cúbics de líquid a cadascun. És a dir, cada tanc estarà

omplert fins un 80% de la seva capacitat total.

Dimensionament

E el as del ta de HF s ha optat pe es olli u diàmetre intern de 4.25 metres i una relació

de longitud de 2.275·Dint que permet obtenir un volum total de tanc de 150 m3.

Per estimar la longitud del cilindre es poden agafar valors entre 1,5 i 3 per el diàmetre interior

del cilindre, sent 1.5, 2, 2.5 i 3 els valors típics, a continuació es mostra la resolució:

Cilindre:

� � = . ~ · � .

� � = . · . = .

� � = · � · � � .

14

� � = · . · . = .

Capsal:

= . · � .

� � = . · . = .

= � � + · .

= . + · . =

Espessor de les parets

P i e s ha de al ula la p essi hid ostàti a degut a l alçada de olu a, te i t e o pte

ue el ta esta à ple fi s u % i l alçada del la olu a o espo al dià et e del ta , ja

ue es t a ta d u ta ho itzo tal. La de sitat del lí uid se à de , kg/ 3.

ℎ = · · ℎ [ ] .

ℎ = . · . · . · . = = .

Co ue la p essi d ope a i o s supe io a . at osfe es, la p essi de disse es

determina amb les equacions de la introducció corresponents al càlcul de la pressió de treball:

= + . + ℎ .

= . + . + . = .

“ esta lei e alo s de [“] o te si e fu i del ate ial a utilitza , e a uest as es

selecciona 18700 psi (18947 bar), corresponent al acer inoxidable AISI 316L. Els factor de

soldadu a o s ha dit a a s serà 0.85. I finalment el factor de corrosió [C1] serà de 2 mm

Pe dete i a l espesso del ta es fa a se i les e ua io s itades a la i t odu i ,

corresponents al gruix del cilindre i la corresponent al gruix del capsal toriesfèric que es tornen

a citar a continuació:

15

Cilindre:

� � = · �− . + .

� � = . · · . − . · . + = 11,6 mm≈12mm

Capsal:

= · ·− . + .

= . · · ,· · , − . · . + = . ≈

U op o ti gut a uest alo es pot esti a l alçada del apsal i fi al e t l alçada de l e uip

amb:

= . · + . · − . .

= . · · − + . · . + . − . = .

Equip:

� = � � + · .

� = . + · . = .

Pes dels tancs.

A o ti ua i s esti a a els kg ue pesa à l e uip. P i e es fa à u a esti a i a els ta s

buits i després plens de líquid. Per o te i el pes del ili d e s utilitza à la següe t e ua i :

� � = · � � ( ) − ( � ) · .

� � = · . · ( . ) − ( . ) · =

Per el càlcul del pes dels caps toriesfèrics s utilitza à l e ua i itada a o ti ua i

= ( , · − , · � ) · · .

16

= , · . − , · . · · =

El pes total es la suma del pes dels diferents components del tanc:

= � � + . � = + =

Al alo uit se li ha d afegi el pes ue ti d à el ta e ope ació es a dir, 240 m3 o 300 m3

quan esta totalment ple. En el primer cas

� � = + · . = + · . = = + · . =

Venteig

Co s ha dit a la i t odu i , tot ta d e agatze atge e essita u e teig pe otius

ope a io als i de segu etat, d a uesta a e a s e ite les defo a io s als ta s degut als

canvis en la pressió.

E el as dels ta s de HF a hid e, s ha de al ula la supe fí ie hu ida del e ipie t, s a di la

superfície que es veuria afectada per un bescanvi de calor provocat per un foc exterior.

Aquest superfície es por calcular sobre un 75% de la superfí ie total d u ta ho itzo tal,

des o pta t la pa t ue es t o a e o ta te a el te a. E a uest as s esti a à a la

lla gada total de l e uip:

= · · · ( � + ) · . .

= · · . · ( . + . ) · . =

La calor rebuda es calcula agafant el valor F com a 0.5 ja que el drenatge o les cubetes es

trobaran a distancia del tanc, el resultat es el següent:

= . · , · . · = �/

17

Finalment, el cabal de venteig es calcula per un tanc a pressió sabent que la calor latent de

vaporització del HF és 374,11 kJ/kg:

� = /ℎ. �J/�g = . /


Segons la normativa trobada als documents ITC-MIE-APQ, la distancia mínima que han de tenir

els tancs de HF (substància tipus A2) respecte els altres tancs ha de ser:

Distància respecte altres tancs (Dtanc).- Serà ¼ de la suma dels diàmetres de tots els tancs o 2

metres mínim entre tancs, prenen el valor més restrictiu, és a dir, el valor més gran. Els tancs

de HF tindran una distancia entre ells de 3.21 m f o t els dos et es del í i , s es olli à u a

distancia de 3.25 m.

Distància respecte parets (Dparet).- 1-1.5 m de distancia respecte les parets de les cubetes,

s es olli à se p e 1.5m

Volum de les cubetes.- En quant a la seva capacitat, aquesta es calcula com el 10 % del total de

tots els tancs o el volum del tanc més gran com si aquest no estigues.

Per el cas dels tancs de HF anhidre, el 10 % del total dels tancs és 45 m3, mentre que el volum

d u ta s de 3, per tant el volum de les cubetes haurà de ser el corresponent a 150

m3. Com que la disposició dels tancs és horitzontal i es posaran en una filera de tres, la

longitud i amplitud de les cubetes es calcula amb les equacions:

= · + º · + º − · . = · . + · . + − · . = . = · + . = · . + . = .

Pe ta t, l à ea del la u eta del ta s de HF s de 319 m2, a la possi ilitat d i lou e u a

segona cubeta a distància amb una capacitat del 20% del líquid per evitar en tot el possible la

se a p dua ap a l at osfe a i afe ta e s al edi a ie t. “ ha de te i e o pte ue

les u etes d à id hau a de se d u ate ial ue esistei i p ou la o osió per contacte.

Ta se ia e o a ada pe e ita ue e o ta te a l at osfe a i el aigua es fo i

núvols tòxics.

18

11.1.3. Ta d’e agatze atge de tet a lo u de a o i CCl4

A continuació es mostren les característiques del disseny dels tancs de CCl4

Taula 11.4. Resum de les característiques dels tancs de CCl4.

Paràmetre Valor

Nº tancs 2







tcapsal, Gruix del capsal cònic (mm) 18

Tf.pla, Gruix del fons pla (mm) 10


P, Pressió de disseny (bar) 4.54






Els ta s d e agatze atge de tet a lo u de a o i s ha de disse a e fu i a les

normes especificades a les diferents ITC-MIE-APQ. Seguir aquestes normes permet la

i pla ta i d a uet tipus d e uip, a i itza t la segu etat e as de fallada e i te ta t

minimitzar els danys de les pròpies instal·lacions i del personal que hi treballa. Per el disseny

e à i s ha utilitzat el odi A“ME o a a s s ha e pli at.

El tetraclorur de carboni és una substància molt volàtil i que té una clara incidència en els

p o essos de dest u i de la apa d oz . Pe a uest otiu el disse dels ta s ha de se

acurat, intentant minimitzar qualsevol fuita del CCl4

Co di io s d’e agatze atge

19

Segons la normativa vigent, ITC-MIE-APQ, el tetraclorur de carboni es podria considerar una

substancia de la classe C o D, ja ue o s ha t o at dades so e el seu pu t d i fla a ilitat i

es considera que aquest punt es troba per sobre del seu punt de bullició, que és 76.5 ºC.

Les su stà ies de la lasse C s a uelles ue te e u pu t d i fla a ilitat e t e els i els

ºC, e t e ue les de lasse D te e el seu pu t d i fla a ilitat pe sobre dels 100 ºC.

E a uest as, s ha de idit e agatze at el CCL o si fos u a su sta ia de la lasse C.

L e agatze atge del tet a lo u de a o i ti d à les següe ts o di io s:

Taula 11.5. Co di io s d’e agatze atge de tet a lo u de a o i.


Pressió (atm) 1

Densitat CCl4 (kg/m3) 1579

Taula 11.6. Material de disseny.

Material AISI 316L


Tensió AISI 316L (bar) 1289,3


A la planta es necessitarà un corrent fresc de 2050.91 kg/h de tetraclorur de carboni, aquest

haurà de ser el més pur possible i anhidre per garantir la seguretat a la planta i la producció del

FREÓ-13.

Amb aquest corrent de CCl4 es pot establir la quantitat diària en 49222 kg/dia, equivalent a

31.17 m3/dia. A uest da e alo s o t ela io a t el o e t àssi a la de sitat del

líquid en les condicions de emmagatzematge.

L sto k, de la atei a a e a ue a l HF se à de dies t e alla t a la o alitat i de t es

dies més si hi ha alguna incidèn ia. Pe ta t, el disse dels ta s d e agatze atge

correspondrà a 18 dies, és a dir de 561 m3. Aquest valor es corregeix en funció del nombre

total de camions que arriben a la planta.

U op dete i ada a uesta ua titat, s ha de al ula el o e de amions que portaran el

CCl4. “ ha de te i e o pte ue els a io s iste a sole te i olu s de , , 3. En

aquest cas es seleccionaran camions de 30 m3. Per tant el nombre de camions serà:

20

= = , ≈ .

E les pitjo s de les o di io s s hau a de a ega u total de 3 de CCl4, corresponent

als dies i a io s. E el as s fa o a le o s dies a l a i ada de a io s i

un volum total de descarrega de 480 m3. Per tan, 570 m3 serà el volum total de CCl4 que hi

haurà a la planta.

DISSENY MECANIC

Tipus de tanc

A l ho a de t e alla a CCl s ha d opta pe utilitza ta s a pressió atmosfèrica. En aquest

cas, els tancs seran cilíndrics amb un capsal superior cònic i fons pla. La disposició de cada tanc

serà vertical. El material utilitzat serà AISI 316L. La temperatura de disseny serà 45 ºC.

Es dissenyaran dos tancs per emmagatzemar el CCl4, cadascun amb una capacitat de 350 m3

amb un contingut de 285 metres cúbics cadascun. Es a dir, cada tanc estarà omplert

aproximadament un 80 % de la seva capacitat total, per motius de seguretat.

Dimensionament

En el cas dels tanc de CCl4 s ha optat pe es olli u diàmetre intern de 6.5 m i una relació

d alçada de 1,545·Dint que permet obtenir un volum total de tanc de 350 m3. Per estimar

l alçada del ili d e es pode agafa alo s e t e , i pe el dià et e i te io del ili d e,

sent 1.5, 2, 2.5 i 3 els valors típics, a continuació es mostra la resolució on la part cilíndrica

s efe tua de la atei a a e a ue e as de l HF, te i t e o pte ue a a la posi i del ta

serà verti al utilitza t l e ua i o espo e t al àl ul de ili d es p ese tada a la i t odu i

Cilindre:

� � = . · . = .

� � = · . · . = .

Capsal Cònic

El disseny del cap superior per aquests tancs serà cònic amb un angle de 25º a la part cònica.

P ia e t s ha de al ula l alçada del ap:

= � · � .

21

= · . = .

Es calcularà el volum del cap cònic:

= · � · .

= · . · . = .

Equip complert:

La alçada total se à la su a de l alçada del ili d e i la del o :

� = � � + .

� = . + . =11.56 m

Fi al e t, el olu total de l e uip es al ula a la següe t e ua i te i t e o pte ue

només hi ha un capsal i o dos, o e el as de l à id fluo híd i :

= � � + .

= . + . =


Aquest càlcul es farà de forma similar que als ta s d HF, te i t e o pte ue a a es t e alla

amb un tanc vertical amb cap cònic.

P i e s ha de al ula la p essi hid ostàti a degut a l alçada de olu a, te i t e o pte

ue el ta esta à ple fi s u % . Es t a ta d u ta e ti al, pe a uest otiu s utilitza à el

% de l alçada total del ta i la de sitat del CCl4 que és 1579 kg/m3.

ℎ = . · . · · . = = .

22

Co ue la p essi d ope a i es e o a , at sfe es, la p essi de disse es

determina de la següent manera:

= + , + , = .


selecciona 1289.3 bars, corresponent al acer inoxidable AISI 316L.

El factor de soldadu a o s ha dit a a s serà 0.85 oferint una bona eficiència a les juntes. El

valor [C1] o factor de corrosió també serà de 2 mil·límetres com en els tancs de HF. La

diferencia radica que als tancs de CCl4 aquest sobre espessor se à d a e e t e ue als tancs

d HF o espo d à al e o i e t de polímer o tefló.


corresponents al gruix del cilindre i la corresponent al gruix del capsal cònic donant els

següents resultats:

Gruix del cilindre:

� � = . · . · . − . · . + = 15.49 mm≈16mm

Gruix del cap Cònic: = ·· � · − . + .

= . · · · . · . − . · . + = . ≈

El g ui s ha d ajusta a u g ui o i al, pe o e a i el preu del tanc, per això el gruix pren

un valor de 18 mm i no de 17 mm.

Gruix del fons pla:

El gruix dels fons dels tancs pren un valor típic de 6 mm , valor mínim per evitar les

deformacions a causades per el pes del líquid, per aquet motiu se li sumaran dos mil·límetres

com a factor de seguretat i dos mil·límetres com a factor de corrosió donant lloc a una placa

de 10 mm de gruix

Pes dels tancs.

23

A o ti ua i s esti a a els kg ue pesa à l e uip. P i e es fa à u a esti a i a els ta s

buits i després plens de líquid.

Pes del cilindre:

El pes del cilindre seguirà el mateix mètode de càlcul que en el cas dels tancs de HF, donant els

següents resultats:

� � = · . · ( . ) − ( . ) · =

Pes del capsal cònic:

Per el càlcul del pes dels caps cònics s utilitza à l e ua i que es presenta tot seguit:

= · − � · .

= · . ( . + . · ) − . · =

Pes del fons pla:

Pe al ula el pes del fo s pla, s ha de te i e o pte a uesta ase ha se il·lí et es més gran que el diàmetre exterior del tanc.

El pes es al ula a l e ua i següe t:

. = · . · ( + . ) · .

. = · . · ( . + . ) · =

El pes total es la suma del pes dels diferents components del tanc: = � � + + . . � = + + =

Al alo uit se li ha d afegi el pes ue ti d à el ta e ope a i es a di , 3 o 350 m3

quan esta totalment ple:

� � = + � · .

24

= + · �gm =

= + · �gm =

Venteig

En els tancs que treballen a pressió atmosfèrica al igual als que treballen a pressions superiors

són i dispe sa les els e tejos, so etot a l ho a de les ope a io s de à ega i des à ega pe

evitar deformacions.

En el cas dels tancs de CCl4 s ha de al ula la supe fí ie hu ida del e ipie t, s a di , la


A uest supe fí ie es po al ula so e u % de la supe fí ie total d u ta e ti al,


llargada del cilindre:

= · · . .

= · . · . = .



= . · . · . . · = /ℎ

Finalment, el cabal de venteig es calcula sabent que la calor latent de vaporització del CCl4 és

194 kJ/kg:

� = . · /ℎ / · √ . = . /ℎ



els tancs de CCl4 (substància tipus C) respecte els altres tancs ha de ser:

Distància respecte altres tancs de CCl4 (Dtanc).- Serà el 0.3 de la suma dels diàmetres de tots els

tancs o 2 metres mínim entre tancs, prenen el valor més restrictiu, és a dir, el valor més gran.

25

Els tancs de CCl4 tindran una distancia entre ells de 1,96 m front els dos metres del mínim,

s es olli à u a distancia de 2 m.


s es olli à se p e 1.5m.



Per el cas dels tancs de CCl4 anhidre, el 10 % del total dels tancs són 70 m3, mentre que el

olu d u ta s de 3, per tant, el volum de les cubetes haurà de ser el corresponent a

350 m3.

Com que la disposició dels tancs és vertical i es posaran en un filera de dos, la longitud i

amplitud de les cubetes es calcula amb les següents equacions:

= · + º · + º − · . = · . + · . + − · = . = · + . = · . + . = .

En el cas dels tancs de CCl4 el disseny de les cubetes dóna una superfície de 172 m2. També

recomana una altra cubeta a distància per evitar en tot el possible el seu vessament i

t a sfe ia a l at osfe a. A uesta u eta o ple e tà ia ti d à o a í i u olu de

20% el mínim dels tancs.

11.1.4. Ta d’e agatze atge d’à id lo híd i HCl

Tot seguit es mostren les especificacions simplificades per els tancs de àcid fluorhídric al 30%

màssic:

Taula 11.7. Resum de les característiques dels tancs.

Paràmetre Valor

Nº tancs 4







26

tcapsal, Gruix del capsal cònic (mm) 20



P, Pressió de disseny (atm) 4.31






Recobriment HDPE

L à id lo híd i s u a substància molt corrosiva si es troba en dissolució aquosa, per tant el

ta d e agatze atge ti d à u e o i e t de polí e d alta de sitat pe e ita l ata pe

hidrogen. La seva forma fumant pot deteriorar ràpidament els equips en contacte i ocasionar

greuges al personal si aquests no tenen les mesures de seguretat necessàries.

L à id lo híd i ue hi ha CADMA chemicals s u su p odu te i s o t a la ea i e t e

l à id fluo híd i i el tet a lo u de a o i e p es ia de “ Cl5. Aquest subproducte és

sepa at a la zo a de pu ifi a i i poste io e t t a tat a u a so ido . D a uesta a e a es

prepara de cara a la seva venda. Tindrà en emmagatzematge una concentració del 30 %

màssic.

Els ta s d e agatze atge d à id lo híd i s ha de disse a e fu i a les o es

especificades a la ITC-MIE-APQ- , o espo e t a l e agatze atge de lí uids o osius.

Pe el disse e à i s ha utilitzat el odi A“ME o a a s s ha e pli at.


Segons la normativa vigent, ITC-MIE-APQ, l à id lo híd i es pod ia o side a u a su sta ia

de la classe C o D. En aquest cas es considerarà una substancia de classe C, ja que és la situació

més restrictiva perquè que les substa ies de la lasse C te e u pu t d i fla a ilitat e t e

els i els ºC, e t e ue les de lasse D te e el seu pu t d i fla a ilitat pe so e dels

100 ºC. L e agatze atge de l à id lo híd i ti d à les següe ts o di io s:

Taula 11.8. Condicions d’e agatze atge de l’à id lo híd i .


Pressió (atm) 1

Densitat HCl (kg/m3) 1579

27

Taula 11.9. Característiques del material del tanc.

Material AISI 316L


Tensió AISI 316L (atm) 1272,5

Recobriment HDPE


El o e t fi al, desp s de l a so i s de kg/h, pe ta t, el o e t a e agatze a

diàriament serà de 114041 kg/dia. Aquest darrer valor equival a 100,04 m3/dia.

L e agatze atge tal i o s ha des it pe els tancs de reactius (HF i CCL4) tindrà una

capacitat per 15 dies treballant amb normalitat i un sobredimensionament per 3 dies més si es

p oduei e p o le es e la so tida de p odu te. Pe ta t, el disse d e agatze atge

correspondrà a 18 dies.

El volum corresponent a 15 dies de producció és 1500 m3 necessitant 50 camions de 30 m3 per

emportar-se tot el volum. Per altra part, si cal emmagatzemar el volum de 18 dies de treball el

volum serà de 1800 m3 amb la necessitat de 60 camions per descarregar tot el volum.

= ≈ = ≈ .

DISSENY MECÀNIC

Tipus de tanc

A l ho a de t e alla a HCl s ha optat pe utilitza ta s a pressió atmosfèrica. El disseny

seguirà el mateix model que el confeccionant per emmagatzemar CCl4. Els tancs seran

cilíndrics amb un capsal superior cònic i fons pla. La disposició de cada tanc serà vertical. El

material utilitzat serà AISI 316L amb un recobriment de HDPE. La temperatura de disseny serà

45 ºC.

Es dissenyaran quatre tancs per emmagatzemar el CCl4, cadascun amb una capacitat de 575

m3 amb un contingut de 461m3 cadascun. Cada tanc estarà omplert fins un 80% de la seva

capacitat total per motius de seguretat.

Dimensionament

28

Per cada tanc d à id lo híd i s ha optat pe u diàmetre intern de 7.63 m i una relació

d alçada de 1,57·Dint que permet obtenir un volum total de tanc de 575 m3.

El disse de la pa t ilí d i a s efe tua de la atei a a e a ue e els asos a te io s, te i t

en compte que ara la posició del tanc serà vertical.

Cilindre:

� � = . · . = .

El volum del cilindre es calcula amb les equacions presentades a la introducció:

� � = · . · . = ,

Capsal Cònic

El disseny del cap superior per aquests tancs serà cònic amb un angle de 25º a la part cònica.

P ia e t s ha de al ula l alçada del ap a l e ua i següe t :

= · . = . .

= · . · . = .

Equip complert:

La alçada total se à la su a de l alçada del ili d e i la del o :

� = . + . =13.77 m

Fi al e t, el olu total de l e uip es al ula de la mateixa forma que al cas del CCl4.

= . + . =


Es al ula la p essi hid ostàti a degut a l alçada de lí uid a olu a. Es t a ta d u ta

e ti al, pe a uest otiu s utilitza à el % de l alçada total del ta i la de sitat del HCl al

% que és 1140 kg/m3.

ℎ = . · . · · . = = .

29

= . + . + . = .


selecciona 18700 psi (1289,32 bar), corresponent al acer inoxidable AISI 316L. El factor de

soldadu a o s ha dit a a s serà 0.85 oferint una bona eficiència a les juntes.

El valor [C1] o factor de corrosió també serà de 2 mil·límetres es calcularan com si tot fos

d a e L, però en realitat aquest sobre espessor serà de HDPE. Per dete i a l espesso

del tanc es faran servir les equacions citades a la introducció, corresponents al gruix del

cilindre i la corresponent al gruix del capsal cònic donant els següents resultats:

Gruix del cilindre:

� � = . · · . − . · . + = 17.05 mm≈18 mm

Gruix del cap Cònic:

= · �· �· − . +

= . · · · · . − . · . + = . ≈

El g ui s ha d ajusta e tots els asos a u g ui ominal per tal de no encarir el preu del tanc,

per això el gruixos prenen un valor de 18 mm pel cilindre i 20 mm per el cap cònic.

Gruix del fons pla:

El gruix del fons de cada tanc pren un valor típic de 6 mm, valor mínim per evitar les

deformacions causades per el pes del líquid, per aquest motiu se li sumaran dos mil·límetres

com a factor de seguretat i dos mil·límetres com a factor de corrosió donant lloc a una placa

de 10 mm de gruix

Pes dels tancs.

A o ti ua i s esti a a els kg ue pesa à l e uip. Primer es farà una estimació amb els tancs

buits i després plens de líquid.

Pes del cilindre:

Per obtenir el pes del cilindre s utilitza a les atei es e ua io s ue e esos a te io s:

� � = · . · ( . ) − ( . ) · =

30

Pes del capsal cònic:

El càlcul de caps cònics es realitzarà com en el cas del tanc de CCl4:

= · . ( . + . · ) − . · =

Pes del fons pla:

Pe al ula el pes del fo s pla s ha de te i e o pte aquesta base ha ser 51 mil·límetres més

gran que el diàmetre exterior del tanc.

El pes es al ula a l e ua i p ese tada e el disse dels ta s de CCl :

. = · . · ( . + . ) · =

El pes total es la suma del pes dels diferents components del tanc:

= � � + + . . � = + + =

Al alo uit se li ha d afegi el pes ue ti d à el tanc en operació es a dir, 285 m3 o 350 m3

quan esta totalment ple:

� � = + � · .

= + · =

= + · =

Venteig

En els tancs que treballen a pressió atmosfèrica al igual als que treballen a pressions superiors

són indispensables els e tejos, so etot a l ho a de les ope a io s de à ega i des à ega pe

evitar deformacions.

E el as dels ta s de HCl s ha de al ula la supe fí ie hu ida del e ipie t, s a di , la


31

A uest supe fí ie es po al ula so e u % de la supe fí ie total d u ta e ti al,


llargada del cilindre:

= · · . . = · . · . =



= . · . · . · = /ℎ

Finalment, el cabal de venteig es calcula per un tanc a pressió atmosfèrica sabent que la calor

latent de vaporització del HCl aquos és 1716 kJ/kg:

� = . · /ℎ / · √ . = . /ℎ



els tancs de HCl (substància tipus C) respecte els altres tancs ha de ser:

Distància respecte altres tancs de CCl4 (Dtanc).- Serà el 0.3 dels diàmetres de tots els tancs o 2

metres mínim entre tancs, prenent el valor més restrictiu, és a dir, el valor més gran. Els tancs

de HCl tindran una distancia entre ells de 2.30 m f o t els dos et es del í i , s es olli à u a

distancia de 2.30 m.


s es olli à se p e 1.5m.



Per el cas dels tancs de HCl, el 10 % del total dels tancs és 230 m3, e t e ue el olu d u

tanc és de 575 m3, per tant, el volum de les cubetes haurà de ser el corresponent a 350 m3.

Com que la disposició dels tancs és vertical i es posaran en dues fileres, la longitud i amplitud

de les cubetes es calcula amb les equacions següents:

32

= · + º − · + º − · . = · . + − · . + − · . = .

= · + · + . = · . + · . + . = .

En el cas dels tancs de HCl el disseny de les cubetes dóna una superfície de 172 m2. També

recomana una altra cubeta a distància per evitar en tot el possible el seu vessament i formació

de gas fumant. Aquesta cubeta complementària tindrà com a mínim un volum de 20% el

mínim dels tancs.

11.1.5. Ta d’e agatze atge de FREÓ-13

L e agatze atge de FREÓ-13 es pot realitzar de dues formes segons les condicions a les que

es vulgui te i el p odu te. La p i e a fo a d e agatze a -lo és treballant a pressió, fet

que permet tenir el FREÓ-13 líquid al voltant de 35 atmosferes. La segona condició és

emmagatzemar-lo a pressió atmosfèrica, però en aquest cas es requereix una temperatura per

sota de -82 ºC, és a dir, es treballaria a temperatures criogèniques.

En el cas de CADMA chemicals s ha de idi disse a dos ta s riogènics per emmagatzemar

FREÓ-13 a -90 ºC. El disse d a uest tipus de ta s dife e t a la esta, ja ue es t a ta de

dos tancs, un exterior i un interior, separats per un aïllant tèrmic. “ ha optat pe la pe lita

criogènica que és un bon aïllant per treballar en aquestes condicions.

La perlita criogènica té una conductivitat molt baixa, i és molt utilitzada per aplicar-la a

sistemes criogènics com gas natural, aire, fins i tot gasos nobles.

Les dades o espo e ts al disse d aquests tancs es presenta a la taula:

Taula 11.10. Dades de disseny del tanc de FREÓ-13.

Paràmetre Valor

Nº tancs 2

Volum del tanc interior (m3) 305



H, Alçada tanc interior (m) 9.32


33


tcapsal, Gruix del capsal (mm) 5



P, Pressió de disseny (atm) 3.98

T, temperatura de disseny (ºC) -70




Pes de l e uip total e t ple (kg) 483013

Aïllant Perlita criogènica

Gruix aïllant (m) 0.3

Conductivitat tèrmica 0.039-0.027 W/m K

Diàmetre, Tanc protector (m) 7.228


La normativa ITC-MIE-APQ- s la ue egula l e agatze atge de p odu tes a tancs

iog i s. “egui a uesta o ati a i a les p opietats del p o s, s esta lei e les o di io s d e agatze atge a la taula.

Taula 11.11. Co di io s d’e agatze atge del FREÓ-13.

Temperatura (ºC) -90

Pressió (atm) 1

Densitat FREÓ-13 (kg/m3) 1554

El ate ial ue s utilitza pe el disse dels ta s iog i s s l AI“I L. Les se es p opietats

es citen a la taula següent:

Taula 11.12. Material del tanc.

Material AISI 304L


Tensió AISI 304L (bar) 8721


La apa itat d e agatze atge dels ta s iog i s es eu li itada a u % del total del

tanc, per aquest motiu els tancs es veuen més sobre dimensionats que els tancs de CCL4 o HCl,

on els tancs poden estar omplerts fins un 80% per motius de seguretat.

34

De la mateixa forma que a la resta de tancs, en el cas del FREÓ-13, també es dissenyaran tancs

a u a apa itat d e agatze atge de dies, s a dir, 15 en operació normal i 3 més com

a factor de seguretat front incidents a planta o logístics referits al transport.

A CADMA Chemicals es produeix un corrent de 33432 kg/dia de FREÓ-13, una quantitat

equivalent a 21.51 m3/dia. Pe ta t, pe dies de p odu i , s ha de o st ui ta s pe

emmagatzemar una totalitat de 387 m3.

En aquest cas, es dissenyaran dos tancs, cadascú amb una capacitat de 305 m3, omplerts fins

un 64% de la seva capacitat (194 m3).

DISSENY MECÀNIC

Aquest tipus de tanc han de tenir una sèrie de components relativament diferents als tancs

convencionals. Tot seguit es presenta una llista:

a) Aïllament.- en aquest cas perlita criogènica amb una conductivitat

b) Gas inert.- en aquest cas N2 per tal de mantenir una pressió constant a feines de

càrrega i descàrrega de FREÓ-13

c) Elements primaris.- tots els elements sotmesos a temperatures inferiors a -40 ºC

d) Cobertura.- És el ta o la p ote i o ple e ta ia ue e o ei l aïlla t pe

protegir-lo.

e) Equips de refrigeració.- Sistemes mecànics que produeixen la refrigeració necessària

per compensar els guanys de calor.

f) Ha de situar-se p efe e t e t a l ai e lliu e i so e el i ell de te a, o e edifi is de

construcció no combustible adequadament ventilats.

g) No s ha de ol·lo a a edifi is a es de t es pa ets al olta t pe tal de ga a ti la

ventilació

Tipus de tanc

El tanc escollit per emmagatzemar el FREÓ-13 funcionarà a pressió atmosfèrica i -90ºC.

Co sta à d u ta o ple e ta i, ue ti d à la fu i de p otegi l aïlla t. Els tancs seran

35

cilíndrics amb un capsal superior toriesfèric i fons pla. La disposició de cada tanc serà vertical.

El material utilitzat serà AISI 314L pe el ta i te io i d alu i i pi tat pe el ta e te io . La

temperatura de disseny serà -70 ºC.

Dimensionament

Per cada tanc (interior) de FREÓ-13 s ha optat pe u diàmetre intern de 6.68 m i una relació

d alçada de 1.2·Dint que permet obtenir un volum total de tanc de 305 m3.

El disse de la pa t ilí d i a s efe tua de la atei a a e a ue e els asos a te io s, te i t

en compte que la disposició del tanc es vertical.

Cilindre:

� � = . · . = .

El volum del cilindre es calcula amb les equacions presentades a la introducció i les utilitzades

en el cas del tanc de HF per caps toriesfèrics.

� � = · . · . = .

Capsal:

� � = . · . = .

Equip:

= . + . =


P i e s ha de al ula la p essi hid ostàti a degut a l alçada de olu a, tenint en compte

ue el ta esta à ple fi s u % i l alçada del la olu a o espo al dià et e del ta , ja

ue es t a ta d u ta ho itzo tal. La densitat del líquid serà de 1554 kg/m3.

ℎ = . · · · . = = .

36

Com ue la p essi d ope a i o s supe io a . atmosferes, la pressió de disseny es

determina amb les equacions de la introducció corresponents al càlcul de la pressió de treball:

= . + . + . = .

“ esta lei e alo s de [S] o tensió en funció del material a utilitzar, en aquest cas es

selecciona 126502 psi (8721 bar), corresponent al acer inoxidable AISI 304L a -90ºC. Els factor

de soldadu a o s ha dit a a s se à . . I fi al e t el fa to de o osi [C ] se à de 2 mm.


corresponents al gruix del cilindre i la corresponent al gruix del capsal

Cilindre:

� � = . · · . − . · . + = 3.79 mm≈4 mm

Capsal:

= . · · .· · . − . · . + = . ≈

U op o ti gut a uest alo es pot esti a l alçada del apsal i fi al e t l alçada de l e uip:

= . · + . · − . .

= . · · − + . · . − . · . = .

Equip:

� = � � + .

� = . + . = .

Pes dels tancs

“ utilitza a les atei es e ua io s ue e el as dels ta s de HF pe aps to iesf i s i HCl o

CCl4 per el càlcul de fons plans:

37

Pes del Cilindre:

� � = · . · ( . ) − ( . ) · =

Pes del Capsal: = . · . − , · . · =

Pes del fons pla:

Pe al ula el pes del fo s pla s ha de te i e o pte a uesta ase ha ser 51 mil·límetres més

gran que el diàmetre exterior del tanc.

El pes es al ula a l e ua i p ese tada e el disse dels ta s de CCl :

. = · . · ( . + . ) · =

El pes total és la suma del pes dels diferents components del tanc:

= � � + + . . � = + + =

Al alo uit se li ha d afegi el pes ue ti d à el tanc en operació, és a dir, 194 m3 o 305 m3

quan està totalment ple. En el primer cas:

� � = + · Ó . = + · = = + · =

AILLAMENT I RECOBRIMENT

L aïlla e t del ta de F‘EO-13 es realitzat amb perlita criogènica, amb una conductivitat

tèrmica que es mou entre valors de 0.027-0.039 W/m*K per densitats de 30-40 kg/m3.

Amb aquests alo s es pot esti a el g ui de l aïlla t pe els ta s iog i s. “ ha aproximat

a el p og a a i CALO‘COL, o te i t u s alo s e t e . i . d espesso d aïlla t

mantenint el les diferencies de temperatures i eficiències al voltant de 99%.

38

El recobriment dels tancs de criogènics es realitzarà amb un tanc de la mateixa geometria però

amb un radi de 30 cms superior al del tanc criogènic i que només tindrà la utilitat de recobrir,

protegir l aïlla t.

Pe a uest ta iog i s ha optat pe u ta d alu i i pi tat i efo çat e el as ue es

decideixi fer el buit entre tancs .

Venteig

Co s ha dit a la i t odu i , tot ta d e agatze atge e essita u Venteig per motius

ope a io als i de segu etat, d a uesta a e a s e ite les defo a io s als tancs degut als

canvis en la pressió.

En el cas dels tancs de FREÓ-13, s ha de al ula la supe fí ie hu ida del e ipie t, s a di la


Aquest superfície es por calcular sobre un 55% de la supe fí ie total d u ta vertical,


l alçat total de l e uip:

= · · . . = · . · . = .

La calor rebuda es calcula agafant el valor F com a 1, el resultat és el següent:

= . · · . . · = �/

Finalment, el cabal de Venteig es calcula per u ta a p essi a l e ua i do ada a la

introducció:

= . ·. · √ . = /


Segons la normativa trobada als documents ITC-MIE-APQ-10, la distancia mínima que han de

tenir els tancs de FREÓ-13 (substància tipus A1) respecte els altres tancs ha de ser:

39

Distància respecte altres tancs (Dtanc).- Serà ½ de la suma dels diàmetres de tots els tancs o 2

metres mínim entre tancs, prenen el valor més restrictiu, és a dir, el valor més gran. Els

tancs de FREÓ-13 tindran una distancia entre ells de 7.3 m tenint en compte que es fa

en relació al tanc exterior i no el tanc.


s es olli à se p e 1.5 m.



Per el cas dels tancs de FREÓ-13, el 10 % del total dels tancs és 30.5 m3, mentre que el volum

d u ta s de m3, per tant el volum de les cubetes haurà de ser el corresponent a 194

m3. Com que la disposició dels tancs és vertical i es posaran en una filera de dos, la longitud i

amplitud de les cubetes es calcula amb les equacions:

= · + º · + º − · . = · . + · . + − · . = .

= · + + . = · . + . = .

Pe ta t, l à ea del la cubeta del tancs de FREÓ-13 és de 256 m2, am la possi ilitat d i lou e

una segona cubeta a distància amb una capacitat del 20% del líquid per evitar en tot el

possi le la se a p dua ap a l at osfe a i afe ta e s al edi a ie t. “ ha de te i e

o pte ue les u etes hau a de se d u aterial que resisteixi prou la temperatura

criogènica pe o ta te. Ta se ia e o a ada pe e ita ue e o ta te a l at osfe a i

el aigua es formin núvols tòxics.

11.1.6. Ta d’e agatze atge de pe ta lo u d’alu i i

EL SbCl5 és una substància altament corrosiva i perillosa per el medi ambient. A CADMA

chemicals és utilitzat com a catalitzador.

El seu e agatze atge se à a u at, ja ue la se a fo a hid olitzada pot o oi l a e

inoxidable si aquest no té un recobriment de polímer fluorat com podria ser el tefló.

40

Es t a ta ta d u a su sta ia a e íge a, i esta le ua es t o a e o ta te a

hu itat T u ost ele at, pe ta t, s hau a d e ita els essa e ts o les possi les

contaminacions que puguin fer mal bé el catalitzador o posar en risc les instal•la io s i les

persones.

A CADMA chemicals, aquest catalitzador només es compra per la posada en marxa. El volum

necessari de SbCl5 serà aproximadament de 0.8 m3, fet que permet emmagatzemar-lo a un

tanc mòbil de 1 o de 1.5 m3.

L e agatze atge es realitzarà a un tanc mòbil de 1 m3, aquest fet permet minimitzar al

màxim les pèrdues de catalitzador per canonades ja que a la posada en marxa no hi haurà una

a o ada di e ta des de la zo a d e agatze atge, si ue la à ega es ealitza à a u

emplaçament proper al reactor i després es tornaria el ta a la zo a d e agatze atge.

11.2. Tancs pulmó

La posada en marxa i el procés requereixen de la instal·lació de tancs pulmó que proporcionin

un emmagatzematge temporal a diferents línies de procés.

Són requerits sobre tot a lí ies de p o s d e t ada i so tida de to es de destil·la i , ja ue

permet mantenir un volum de líquid durant un temps determinat amb la finalitat de posar en

regim estacionari els equips.

A CADMA chemicals, es requereixen 7 tancs pulmó, d ells a les so tides dels o de sado s

de cada torre de destil·lació (CD-301,CD-302,CD-203,CD- , ta s a o e e ta s de

reflux. Permeten regular de manera més eficient el reflux cap a torres en cas de requerir més o

menys. I durant la posada en a a pe ete l e agatze atge te po al del lí uid ue o

hagi estat posat en regim estacionari. Els altres tres tancs estan col·locats a les línies de procés

que surten dels calderins de les columnes de destil·lació (CD-301,CD-302,CD-303).

Els tancs es dissenyen amb un temps de residencia de 10 minuts mig omplerts, tot i que el

disse e o a at sol se de i uts de te ps de eside ia ig ple, s ha de idit so e

especificar aquest volum. La geometria serà cilíndrica amb caps toriesfèrics, fet que permet

utilitza el o ju t d e ua io s itades pe e agatze atge de ta s de at ies p i e es i

productes.

41

Tot seguit s espe ifi ue els les di e sio s d a uests e uips:

Taula 11.13. Dimensionament dels tancs pulmó.

Equip Volum

m3

Alçada

(m)

Diàmetre

(m)

Pressió

operació

(bar)

Temperatura

(ºC)

Aïllament

TP-201 1.28 2.51 0.86 10.13 74.46 Llana de roca

TP-301 0.74 1.7 0.8 10.13 -31.61 Llana de roca

TP-302 1.28 2.51 0.86 10.13 56.95 Llana de roca

TP-303 1.14 1.7 1 3.039 -0.46 Llana de roca

TP-304 1.73 2.5 1 10.13 -23.73 Llana de roca

TP-305 1.28 2.51 0.86 10.13 -23.73 Llana de roca

TP-306 1.14 1.7 1 3.039 -0.47 Llana de roca

11.3. Reactors

11.3.1. Reactor continu de tanc agitat. Producció de FREÓ-12

11.3.1.1. Introducció

El pas previ a la producció del Freó 13, el producte desitjat, és dur a terme el conjunt de

reaccions que donen com a producte el FREÓ-12. Aquesta reacció té lloc en un reactor continu

de tanc agitat, i en el seu interior succeeixen les següents reaccions:

CCl4 + SbClF4 CCl3F + SbCl2F3 (Reacció 1)

CCl3F + SbClF4 CCl2F2 + SbCl2F3 (Reacció 2)

CCl2F2 + SbClF4 CClF3 + SbCl2F3 (Reacció 3)

L o je tiu p i ipal s ue es p oduei i la ea i de fluo a i del tet a lo u de a o i, de

manera que aquest doni com a producte el clorotrifluorometà. En una reacció en sèrie, aquest

també reacciona formant-se diclorodifluorometà, considerat el producte de major interès, ja

que serà utilitzat per poder obtenir Freó 13. Tot i així, en el reactor també es produeix una

quantitat de Freó 13, encara que només ho fa en quantitats de ppm, degut a que la reacció 3

té una constant cinètica molt més petita que les reaccions 1 i 2.

Pe t o a les o sta ts i ti ues de les ea io s p i ipals es fa se i l e ua i d A he ius.

� = ,� · �� (−· ) .

42

On:

- k: Constant cinètica a les condicions desitjades de cada reacció

- -Ea: E e gia d a ti a i de la reacció. Es dona el cas que en ambdues reaccions el valor

és de 46 KJ/mol

- R: Constant universal de gasos ideals (J/mol·K)

- T: Te pe atu a d ope a i del ea to K

- K0: Factor pre-exponencial que permet trobar la constant cinètica.

Bi liog àfi a e t, s ha trobat que els factors pre-exponencials de cada reacció són:

k1 = 2.08 x 104 dm3 mol-1 s-1

k2 = 8 x 102 dm3 mol-1 s-1

Te i t e o pte ue les o di io s d ope a i s ℃ i 10 atm,

= . · · · · ℎ · �� −. · · .

K1 = 22.0963 dm3 mol-1 h-1

K2 = 0.8499 dm3 mol-1 h-1

El valor de les constants cinètiques mostren com la reacció limitant és la que dona com a

producte el diclorodifluorometà, per la qual cosa el disseny del reactor es farà en funció de la

conversió assolida en la reacció 2.

Per a que el tetraclorur reaccioni i es formi FREÓ-12, s e p a el pe ta lo u d a ti o i o a

atalitzado . A uest o po e t s el do ado d àto s de fluo , ja ue a uesta ea i o es

pot fer directament fent servir únicament CCl4 i HF. El fluo u d hid oge s el ue a ti a el

catalitzador, fent que passi de SbCl5 a SbClF4, seguint el següent esquema de reaccions.

SbCl5 + HF SbCl4F + HCl (Reacció 4)

SbCl4F + HF SbCl3F2 + HCl (Reacció 5)

SbCl3F2 + HF SbCl2F3 + HCl (Reacció 6)

43

SbCl2F3 + HF SbClF4 + HCl (Reacció 7)

Co es pot o se a a la ea i , el fluo u d hid oge e t eu els àto s de lo e uts del

CCl4 i del CCl3F formant-se o a p odu te se u da i lo u d hid oge . La i ti a d a uestes

reaccions es pot considerar instantània amb respecte les reaccions 1 i 2, de manera que tot el

catalitzador SbCl5 introduït al reactor pot considerar-se que està en la seva forma activa SbClF4.

La atu alesa d a uesta ea i e ue ei ue o hi hagi p es ia d aigua, ja ue es pod ie

donar reaccions indesitjables, com és la desactivació del catalitzador, així com també la

o e si del fluo u i lo u d hid oge a à id fluo híd i i a à id lo híd i . Ai o po ta ia

greus problemes tant de seguretat, corrosió i qualitat del producte final, per la qual cosa cal fer

o t ols de ualitat e haustius i dete ta la p es ia d aigua e les at ies p i e es ai í

o i i itza al à i la possi ilitat de fuites o d i filt a io s.

L o je tiu d a uesta pa t del procés és obtenir la màxima quantitat de FREÓ-12 possible, ja

ue s e essa i pe a la ge e a i de f e . Les o di io s d ope a i ha sigut es ollides

a l o je tiu de ue els ea tius e t i e fase lí uida al ea to pe tal de pode

interaccionar amb el catalitzador evitant els problemes de transferència de matèria entre fases

present en els reactors bifàsics, a la vegada que entren a una temperatura elevada per afavorir

una bona cinètica de reacció, per la qual cosa es necessita operar a pressions altes. El cabal de

sortida del reactor, però, es dona en fase gas. Els productes, el CCl2F2 i el HCl, passen a fase gas

a esu a ue es a fo a t degut a ue les se es te pe atu es d e ulli i e a uestes

o di io s s i fe io s a la te pe atu a d operació. Pel que fa als reactius, el CCl4 introduït

s e hau ei , ja ue la ea i de ge e a i de CCl3F presenta una cinètica de reacció més alta

e o pa a i a la ea i o se uti a i la o e si es pot o side a d ap o i ada e t

el 100%. El fluoru d hid oge , al igual ue el t i lo ofluo o età, e t e e fase lí uida i

reaccionen juntament amb el CCl4, i la o e si d a uesta ea i es po ta fi s al %, ja ue

per conversions més altes la concentració de reactiu baixaria, provocant una disminució de la

velocitat de reacció i un augment del volum del reactor. La part dels reactius que no reacciona

su t del ea to e fase gas, degut a ue les o di io s d e t ada p ese te gai e el seu

pu t d e ulli i i a ue les se es espe ti es p essio s de vapor promouen la seva difusió a la

fase gas.

Pel que fa al catalitzador, en la seva forma original, SbCl5, la se a te pe atu a d e ulli i a

atm és de 533.6℃ . Degut a ue o s ha t o at dades i liog àfi a e t de la se a fo a

activada, i a que la te pe atu a d e ulli i del pe ta lo u d a ti o i s olt s ele ada

44

ue la te pe atu a d ope a i del ea to , es o side a ue o a ia de fase, de a e a ue

es fa à u a à ega e la posada e a a i o ald à u a al o sta t a l e t ada. A s, ja

ue la ea i d a ti a i s gai e i sta tà ia i s i t oduei fluo u d hid oge e e s pe

assegurar que tot el catalitzador es trobi en la forma de SbClF4, es suposa que durant el temps

en el qual el reactor estigui operant fins a la parada de la planta, aquest no perdrà una activitat

o side a le a l ho a de ealitza els àl uls del disse .

11.3.1.2. Balanç de matèria

A a s d ap ofu di e el àl ul dels pa à et es ue defi ei e al ea to s ha de fe u a

comprovació del balanç de matèria, podent o se a si els a als àssi s d e t ada

coincideixen amb els cabals de sortida.

+ = + .

L e ua i del ala ç de at ia e defi it pels següe ts te es.

Entrada (E): La e t ada i lou tots els a als àssi s de fluo u d hid oge , de

tetraclorur de carboni i de triclorofluorometà.

= + + .

No obstant, no tota la quantitat de reactiu que entra al reactor prové dels tancs

d e agatze atge, ja ue pel as del fluo u d hid oge s e t a e e s al ea to , pe tal

d assegu a ue tot el atalitzado estigui a ti at. Co se üe t e t, el fluo u d hid oge ue

o ea io a s e i ulat, pode t al ula el a al total d e t ada de la següe t a e a:

= + � .

On:

- MHFo: Cabal màssic de fluoru d hid oge p o i e t dels ta s d e agatze atge

(Kg/h)

- MHFr: Ca al àssi de fluo u d hid oge p o i e t de la e i ula i .

= . + . = . /ℎ

45

Pel cas del tetraclorur de carboni, tot i que reacciona en la seva totalitat i no està present a la

sortida del reactor, es genera al segon reactor de la planta, com es veurà a continuació a

l apa tat 11.3.2.

= , + ,� . = . + . = /ℎ

Com el triclorofluorometà no es introduït com a corrent fresc, tot el que entra al reactor prové

de la recirculació, és a dir, de la quantitat que no ha reaccionat.

= � = /ℎ .

Comptabilitza t tots els o e ts d e t ada al ea to t o e la ua titat total de a al

d e t ada.

= . + + = . /ℎ

Generació (G): El terme generació inclou totes les formacions o descomposicions de

productes. Aquests valors vindran donats per les conversions assolides a cada reacció,

de a e a ue la ge e a i se à la dife ia de a al àssi e t e l e t ada i la

so tida d u o po e t.

� = �, − �, = �, − �, · � .

On:

- E: Entrada al reactor

- S: Sortida del reactor

- Mi: Ca al àssi de l esp ie i kg/h

Sortida (S): La sortida recull el cabal de productes formats, així com de reactius que no

han reaccionat, i ve donat per les conversions de les reaccions

, = , · − .

, = , − , · − ( , · + , ) · .

, = ( , · + , ) · − . = ( , · + , ) · .

46

= , · + ( , · + , ) · .

On:




- Fi: Ca al ola de l esp ie i K ol/h

- PMi: Pes ole ula de l esp ie i

- X1: Conversió de la reacció 1

- X2: Conversió de la reacció 2

Taula 11.14. Balanç de la matèria del reactor.

ENTRADA SORTIDA

COMPONENT F(kmol/h) M (kg/h) F (Kmol/h) M (kg/h) Generació

HF 50 1000.5 10 200.1 -800.4

CCl4 20 3076 0 0 -3076

CCl3F 20 2748 20 2748 0

CCl2F2 0 0 20 2418 2418

HCl 0 0 40 1458.4 1458.4

TOTAL 90 6824.5 90 6824.5 0

Acumulació: Degut a que la operació es en continu aquest terme és igual a 0

Te i t e o pte ue el o epte d a u ula i s ul e a uest tipus d ope a i , es pot

veure a la taula 11.14. que els cabals molars i màssics totals coincideixen. De la mateixa

manera, el sumatori de les generacions de cada espècie es 0, ja que la massa no es genera ni es

destrueix, de manera que el la massa total que es genera per una determinada espècie ve

do ada pe la des o posi i d u a alt a esp ie. Es pe ai , ue es pot dir que el balanç de

matèria es compleix

11.3.1.3. Balanç d’energia

En aquest apartat es procedeix a calcular si la reacció és exotèrmica o endotèrmica, per tal de

dete i a si e ue i à l apo ta i d e e gia o, pel o t a i, es e ue i à d u siste a de

ef ige a i . Cal te i e o pte ue les o di io s d ope a i ha de se de ℃, ja que si la

ea i ge e s e e gia i o es dispos s d u siste a de ef ige a i , pod ie te i llo

reaccions sense control, amb el conseqüent increment de la pressió, comportant un perill de

47

segu etat pe al pe so al de la pla ta. D alt a a da, si el ea to e ue ís e e gia e te a i o

dispos s d ella, la te pe atu a del ea to dis i ui ia, a la o se üe t da allada de la

conversió global.

L e e gia ue ald à apo tar o retirar del reactor es pot trobar seguint els següents passos:

∆ = ∑ ��= · ∆ ,� − ∑ � · ∆ ,� ��= .

On:

ΔHr: Va ia i de l e talpia de la ea i . Degut a ue el p o s s e o ti u, es

conside a à la a ia i de l e talpia e fu i del a al ola , s a di , l e e gia ue

consumirà o generarà la reacció en un temps determinat en funció dels cabals que

reaccionen (KJ/h)

ΔHf,i: E talpia de fo a i de l esp ie i a la te pe atu a d ope a i (KJ/Kmol)

∆ = ∆ + · ( − ) .

On:

∆H : E talpia de fo a i de l esp ie i, a la te pe atu a de efe ia, Tref (KJ/Kmol)

Cp: Calo espe ífi de l esp ie i KJ/k ol·K

Top: Te pe atu a d ope a i K

De la mateixa manera, degut a ue el t i lo ofluo o età i el fluo u d hid oge passe a fase

gas, s ha de o pta ilitza el alo late t d a uests ea tius e fu i del a al total ue

canvia de fase.

= ∑ ��= · � .

On:

48

tot: sumatori del calor latent consumit pels reactius per unitat de temps (KJ/h)

El alo e ue it a apo ta o a eti a del ea to se à la su a d a d s te es. = ∆ + .

Taula 11.15. Entalpies deformació que hi ha en el primer reactor.

Dades a 95ºC HF CCl4 CCl3F CCl2F2 HCl

ΔHformació (KJ/Kg) -14270 -803.7 -2417 -4070 -2484

Taula 11.16. Calor latent dels reactius.

HF CCl3F

(KJ/kg) 749.3 140

∆ = . /ℎ = /ℎ = . + = . /ℎ

Els valors o ti guts ost e ue la ea i s e dot i a ja ue ΔHr>0, per la qual cosa

e ue ei apo ta i d e e gia e te a. Ju ta e t a a uest fet, ald à apo ta s e e gia

degut al canvi de fase dels reactius, de manera que es decideix dissenyar un sistema

d apo ta i de alo .

11.3.1.4. Disseny funcional

L e ua i de disse del ea to es ollit s la següe t.

= � ·− .

On:

- V: volum del reactor (m3)

- FA,E: Ca al ola de l esp ie ue dete i a la elo itat de ea i k ol/h

- X: conversió de la reacció limitant.

- -rA: velocitat de consum del reactiu que determina la cinètica del reactor.

49

La i ti a d a uesta ea i s ha t o at i liog àfi a e t, i es a a te itza ta t pe la

o e t a i d e t ada del ea tiu o pe la o e t a i del atalitzador present al reactor.

= − · � · − .

On:

- -rA: velocitat de consum del triclorofluorometà (mol/dm3·h)

- k2: constant cinètica de la reacció 2 (dm3 mol-1 h-1)

- cA,E: o e t a i del t i lo ofluo o età a l e t ada del ea to ol/dm3)

- cSbClF4: concentració del catalitzador present al reactor (mol/dm3)

Co s ha es e tat p ia e t e l apa tat de la i t odu i , tot el atalitzado “ Cl5 es

trobarà en la seva forma activa SbClF4. Les dades cinètiques trobades bibliogràficament varen

se o ti gudes pe a u a o e t a i de atalitzado de . ol/l, pe la ual osa s ha de idit

treballar amb les mateixes concentracions.

Dese olupa t l e ua i de disse del ea to t o e ue:

= · ,�· ,� · − = · − .

On:

- QE: Cabal d'entrada al reactor (m3/h)

El a al d e t ada de ada ea tiu es ost a e la taula 11.17. a continuació.

Taula . . Ca als d’e t ada.

HF CCl4 CCl3F

Q (m3/h) 1.0164 1.9212 1.8337

El sumatori d a uests a als, se à do s:

� = . + . + . = . ℎ .

De manera que el volum teòric del reactor, considerant la conversió abans esmentada per a la

segona reacció del 50%, és:

50

= .. · . · − . = . .

A uest o s el olu fi al del ea to , ja ue e a uest àl ul o s ha ti gut e o pte la

ua titat de atalitzado ue hi ha a l i te io del ea to . Pe t o a la ua titat de

atalitzado ue s hau à d utilitza es seguei el següe t esquema de càlculs.

= · · = . · . · = . .

On:

- PM: pes molecular del catalitzador (kg/Kmol)

- : densitat del catalitzador (kg/m3)

A causa de ue el olu e ue it de atalitzado o o s dep del a al d e t ada dels

reactius, sinó del seu temps de residència, es decideix suposar un cabal fictici de catalitzador

que compleixi la relació de concentracions i es mantingui a 0.6 mol/dm3.

" " = � + " " .

On:

- QE : Ca al suposat d e t ada al ea to 3/h)

- QSbClF4 : Ca al fi ti i d e t ada al ea to 3/h)

" " ·" " = " " · ." " = . .

" " = . + . = . ℎ

‘esole t a uestes e ua io s a ope a io s s o t el esultat. U op s ha defi it el a al

hipot ti d e t ada o side a t ue el atalitzado e t s o u a al es p o edei a al ula

de nou el volum del reactor.

51

= .. · . · − . = .

D a uesta a e a es t o a el olu fi al ue e ue i à el ea to te i t e o pte el olu

total que contindrà de catalitzador al seu interior. Així mateix, es pot trobar la quantitat de

catalitzador requerit calculant la diferència entre el volum calculat considerant la presència de

atalitzado a el olu ue s ha al ulat se se te i -ho en compte.

= − = . − . = . .

El temps mig que es passarà el reactiu dintre del reactor es pot trobar de la següent manera.

� = � = .. = . ℎ .

On:

- τ: te ps de esid ia h

Encara que el volum del reactor útil està definit, el fet de que tot el producte surti en forma

gasosa o po ta la e essitat de disposa d u olu e t a, ja ue si es produirien

i e e ts de p essi pe illosos. Bi liog àfi a e t, s ha o se at ue a uest tipus de ea to

dispose d u % de olu pe a ue hi àpiga el p odu te e fo a gasosa, lla o s el olu

del lí uid se à d ú i a e t u %. A s, pe tal de poder tenir més versatilitat en la

quantitat de producció, en cas de voler incrementar-la, es sobredimensiona un altre 20%.

D a uesta a e a, el olu defi itiu del ea to es al ula a o ti ua i .

� � � = · .

On:

- fs: factor de sobre-dimensionament

- fG: fracció ocupada pel gas

� � = . · .. = .

52

11.3.1.5. Agitació

El ea to o ti u de ta agitat e ue ei d u siste a d agita i ue dis i uei i els

gradients de concentració, així com de temperatura, amb la qual cosa es faciliti la transferència

de matèria i la reacció tingui la velocitat desitjada.

Tenint en compte la atu alesa d a uesta ea i i els dife e ts tipus d agita i , e fu i dels

objectius que es necessitin, es selecciona un agitació del tipus hèlix marina.

Figu a . . Agitado d’hèlix.

L agitado d h li s ideal pe a fluids po is osos, ue com a molt arribin a tenir una viscositat

de 104 Pa·s. Tenint en compte que la viscositat del fluid a agitar és de 0.36 cP, es comprova que

no hi ha cap problema en aquest sentit.

L ele i d a uest tipus d agitado e dete i ada, espe ial e t, pel tipus d agita i ue

proporciona a la mescla. I és que degut a que el producte format es troba en forma gasosa, es

ol fa ilita u a agita i a ial ue pe eti ue hi hagi u a o a es la a l ho a ue afa o ei i

la sortida del producte. Un agitació que proporciones massa agitació radial, com per exemple

una turbina de pales, provocaria una mescla fortament radial, i en el cas de voler difondre el

gas en el líquid resultaria ideal, però com la presència de producte en la fase líquida

contribueix a una disminució de la velocitat de reacció global, interessa que aquest passi a la

fase gas. A la següe t il·lust a i es o pa e els dos tipus d agitado s s e p ats a la

industria química.

53

Figura 11.5. Comparació dels agitadors més utilitzats en la indústria química.

U op s ha es ollit el tipus d agitado ue s e p a à, es fa u disse ta t del ea to o

dels ele e ts ue o t i uei e a l agita i , pe tal d afa o i al à i la es la.

Figu a . . Ca a te ísti ues pti es del ea to pe a uest tipus d’agitador.

La geo et ia ue illo s adapta pe a a uest tipus d agita i s a uella e la ual l alçada del

líquid sigui la mateixa que el diàmetre del reactor. Per trobar aquesta configuració es necessita

un esquema de càlcul que es facilitarà al següent apartat Disse e à i .

Taula 11.18. Dimensions del reactor.

REACTOR

h1 (m) d1 (m)

2.3172 2.3164

Taula 11.19. Di e sio s de l’agitado .

AGITADOR

h3 (m) d2 (m) α

0.6949 0.7721 25

Taula 11.20. Especificacions del Baffle.

Baffle

δ OffsetSUP (m) OffsetINF (m)

54

0.2316 0.0386 0.3860

On:

- h1: alçada del nivell del líquid

- d1: diàmetre del reactor

- h3: alçada del agitador des de el fons del reactor

- d2: dià et e de l agitado

- α: a gle d i li a i de l h li

- δ: g ui de la pa talla defle to a, o baffle

- OffsetSUP: dife ia d alçada e t e el affle i la pa t del lí uid. La pa t supe io del

baffle es troba en una posició lleugerament inferior al nivell del líquid.

- OffsetINF: dife ia d alçada e t e el affle i la pa t i fe io del cilindre del reactor.

Pe tal d e ita la fo a i de e oli s, els uals i duei e a u a dis i u i de la ualitat de

la es la, s ha de disposa de affles, a l o je tiu de ue el o ti gut del ea to estigui

ben homogeneïtzat.

L agitado del ea to o su i à e e gia, de a e a ue s ha de al ula la pot ia ue

requereix per conèixer el o su d ele t i itat. P ia e t a ua tifi a a uest e ue i e t,

s ha de conèixer les e olu io s de l agitado , el ual ha de p opo io a u a bona agitació.

Per garantir u a o a agita i , el o e de ‘e olds a l i te io del ea to ha de i di a u

règim turbulent.

= · · .

On:

- NRE: Nombre de Reynolds

- N: No e de e olu io s pe sego de l agitado ps

- : densitat de la mescla (kg/m3)

- D2: Diàmetre intern del reactor (m)

- : viscositat de la mescla (kg m-1 s-1)

= . · . · .. · − = . ·

55

El nombre de Reynolds per a 3.5 revolucions per segon, mostra que el règim serà turbulent, i

es disposa à d u a olt o a agita i .

Per conèixer la pot ia e ue ida pe dete i a el o su de l agitado s e p a la següe t

equació:

= · · · .

On:

- P: pot ia de l agitado W

- NP: ú e o de pot ia de l agitado

- Da: Dià et e de l agitado

- : densitat de la mescla (kg/m3)

- N: número de revolucions per segon (rps)

Tots els valors per trobar la potència són coneguts, excepte el número de potència. La

il·lustració que apareix a continuació permet trobar aquest paràmetre en funció del nombre de

Reynolds.

Figura 11.7. Número de potència en funció del nombre de Reynolds.

Co el o e de ‘e olds s de l o d e de 7, Np = 0.4

= . · . · . · . = .

56

11.3.1.6. Disseny mecànic

Condicions de disseny

La determinació de les característiques mecàniques del reactor depèn de diversos factors,

entre els quals es troben la temperatura i la pressió a la qual operarà el reactor. Tanmateix, a

l ho a de disse a el ea to s hau à de disposa d u fa to de segu etat, de a e a ue es

realitzaran els càlculs amb les temperatures i p essio s de disse , i o d ope a i . Pe al ula

aquests valors es disposa del següent mètode de càlcul:

� = �� + ℃ = + = ℃

Pel ue fa a la p essi de disse , s utilitze dos e ua io s, de les uals s ha d e t eu e el alor

del mètode que doni un valor més gran.

� , = . · ( �� + à � ) .

� , = �� + à � + . .

Pestàtica: s la p essi ue o fe ei l alçada del lí uid a la part inferior del reactor. Com

s ha es e tat a l apa tat d agita i , l alçada del lí uid s de . .

à � = · · ℎ = . · . · . = . = . .

� , = . · + . = .

� , = + . + = .

O se a t els alo s al ulats, s es ull la p essi de disse do ada pe l e ua i 87.


Tot seguit es procedeix a determinar els gruixos que requeriran les parets del reactor, les quals

hauran de poder assoli les o di io s de t e all a l i te io del ea to . U fa to

imprescindible per conèixer els espessors de les parets, es establir la geometria del reactor.

Degut a ue el ea to t e alla a p essio s altes s es ull la o figu a i ue apo ta s

resistència. Aquesta disposició consisteix en un cos cilíndric, amb dos capçals de geometria

toriesfèrica, com es mostra a la següent il·lustració.

57

Figura 11.8. Cos cilíndric amb dos capçals de geometria toriesfèrica.

L espesso del os ilí d i e defi it pe l e ua i 90.

= ·· − . · + .

On:

- t: espessor de la paret cilíndrica del reactor (mm)

- P: pressió de disseny (atm)

- R: radi intern del reactor (mm)

- S: màxima tensió admissible del material (atm)

- E: factor de soldadura = 0.85 (radiografiat doble parcial)

- C1: marge per corrosió (mm)

El alo de l espesso depe d à, do s del ate ial es ollit. Fe t u a àlisi de les su stà ies

p ese ts al ea to , s o se a ue o hi hau ie d ha e -hi problemes per corrosió, ja que per

a que un àcid es pugui disso ia e ue ei de la p es ia d aigua, i totes les esp ies ue

entren al reactor són anhidres. Malgrat això, per qüestions de seguretat, es determina

treballar amb acer inoxidable 316L, recobrint el seu interior amb una capa de tefló. Aquesta

esu a s adopta degut a ue su stà ies o el fluo u d hid oge , si e t essi e o ta te

a aigua a ausa d u a possi le i filt a i , ge e a ie g eus p o le es de segu etat, ja ue

e p es ia d aigua s o igi a à id fluo híd i , u à id olt fo t i perillós que requereix de

materials molt resistents a la corrosió. És per això, que es decideix aplicar un sobre-espessor

per a la corrosió de 2mm de tefló.

La à i a te si ad issi le del ate ial s o t de la següe t taula:

58

Figura 11.9. Màxima tensió que admet el material.

A la temperatura de 115℃ (239℉), la màxima tensió admissible és de 15.7 ksi (1068 atm)

= . · .· . − . · . + = .

A l o je tiu d a a ati ostos, s esta lei u espesso total de , dels uals

se a d a e i o ida le, i se a de tefl .

L e ua i ue pe et al ula el g ui de les pa ets dels apçals to iesf i s s la següe t.

= · ·· · − . · + + .

On:

- t: espessor del capçal toriesfèric (mm)


- L: Diàmetre del reactor (mm)




- C2: tole à ia de fa i a i = % de l espesso

- M: factor que depèn de la relació R/r

La tole à ia a la fa i a i s ha de te i e o pte, ja ue a dife ia del os ilí d i del

reactor, un capçal toriesfèric pot comptar amb petites imperfeccions degudes a la complexitat

de la seva geometria. Per aquest motiu, es sobredimensiona el gruix un 10% del gruix obtingut.

El factor M, ve determinat per la relació R/r, esmentada anteriorment. Un valor típic en els

capçals toriesfèrics és R=10·r, i observant la següent taula es pot determinar el valor M.

59

Figura 11.10. Valor de M en funció de R/r.

Analitzant la taula es recull el valor M=1.54

= [ . · . · .· · . − . · . + ] · . = .

Igual e t ue e l espesso del os ilí d i , s esta lei u alo està da d de g ui os pe

a a ati el ost, de a e a ue l espesso se à de , dels uals se a d a e

inoxidable 316L, i 2 mm seran de tefló.

Característiques geomètriques

A l apa tat del a ual de àl ul de dete i a i dels pa à et es pti s pe a u a o a

agita i , s esta lia ue el i ell d alçada del lí uid ha ia de se el atei ue el dià et e del

reactor. És per això, que la resolució de les característiques geomètriques del reactor ha de

tenir en compte diversos aspectes.

Les equacions que apareixen a continuació són necessàries per poder determinar paràmetres

àsi s o l alçada del ea to , el seu dià et e, i el i ell d alçada del lí uid.

= � � + · ç = · · � + · . · .

� = · · �′ + . · .

� = �′ + . · .

On:

- Vreactor: volum total del reactor = 15.1908 m3

- Vcilindre: volum que pot albergar el cilindre del reactor (m3)

- Vcapçal: volum que pot albergar un capçal del reactor (m3)

- D: diàmetre del reactor (m)

- Hcil: alçada del cilindre (m)

60

- Vliq: volum del reactor ocupat pel líquid = 10.1272 m3

- Hliq: alçada del nivell del líquid (m)

La esolu i d a uestes e ua io s es fa segui t u tode d ite a io s, do a t ela io s de

H/D, a ia t els alo s del dià et e i de l alçada de a e a ue el olu o ti gut sigui el

desitjat, ite a t fi s ue el dià et e i l alçada del lí uid sigui iguals. Els alo s fi als d a uests

paràmetres es recullen a continuació.

Taula 11.21. Dimensions del cilindre.

Volum cilindre (m3) 13.179

Volum capçal (m3) 2.011

Altura cilindre (m) 3.127

Diàmetre intern (m) 2.316

H liq' 1.925

Alçada líquid (m) 2.317

Una de les característiques essencials del reactor és la seva alçada. Per calcular-la es segueix el

següent mètode de càlcul.

ℎ = . · , ç . = . · − . · , ç . = + · , �

ç = ℎ + . = � + · ç .

On:

- tesp,capç: espessor del capçal (m)

- DE: diàmetre extern del reactor (m)

- DI: diàmetre intern del reactor (m)

- tesp,cil: espessor del cilindre (m)

- Hcapçal: alçada del capçal toriesfèric (m)

61


- Hreactor: alçada del reactor (m)

Taula . . Dades de l’alçada del ea to .

h 0.105

f 0.443

Diàmetre extern (m) 2.334

Alçada capçal (m) 0.548

Alçada reactor (m) 4.223

Massa del reactor

Estant especificades les dimensions del reactor, amb la seva geometria i els espessors de les

pa ets es p o edei a t o a el pes de l e uip. Les següe ts e p essio s s utilitze pe e t eu e

aquests valors.

= � + · ç .

� = � , + � , � .

� = · − · + · − · �

ç = ç , + ç , � .

ç = . · − . · · + . · − . · · � = +

On:

- Mreactor: assa de l e uip Kg

- Mcil: massa del cilindre (Kg)

- Mcapçal: massa del capçal (kg)

- acer: de sitat de l a e = kg/ 3

- tefló: densitat del tefló = 2200 kg/m3

- DE: diàmetre extern (m)

- DM: diàmetre mig (m)

- DI: diàmetre intern (m)

- C1: marge per corrosió (m)

62

“ ha ti gut e o pte ue la pa t e te io de la pa et del ea to s d a e i o ida le, e t e

que la zona interna és de tefló. Per això, es calcula un diàmetre mig, que equival al límit entre

la apa de tefl i la apa d a e . Multipli a t els volums ocupats per aquests materials per la

se a de sitat es pot o te i el pes total de l e uip.

Cal te i e o pte, ue el ea to ha de ealitza p o es hid àuli ues a l o je tiu de

dete ta possi les fuites. “a e t el pes ú i a e t de l e uip, no podem saber el pes que

aquest tindrà quan se li realitzin aquestes proves, de la mateixa manera que tampoc es sap el

pes que tindrà un cop estigui en operació. Calcular aquests valors, és imprescindible, ja que

aquest reactor està recolzat sobre un supo t, ue s e a ega de su je ta el ea to i d ele a -

lo del te a. El supo t es ollit s l a o e at fald , el ual s u ei al ea to pe la se a pa t

i fe io itja ça t u a soldadu a. L altu a del fald s d u et e, el seu ate ial s a e al

carboni, i el pes del reactor determinarà els gruixos i les capacitats que té aquest per aguantar

pes. A continuació es procedeix a realitzar els càlculs pertinents.

, � = · � .

, � = � · � + · .

= − � = . − . = . .

On:

- MR,aigua: massa del reactor omplert amb aigua (kg)

- MR,operatiu: massa del reactor en operació (kg)

- V: volum del reactor = 15.1908 m3

- Vliq: volum ocupat pel líquid = 10.1272 m3

- Vgas: volum ocupat pel gas (m3)

- aigua: de sitat de l aigua = kg/m3

- liq: densitat del líquid del procés = 1111.84 kg/m3

- gas: densitat del gas generat = 3.7 kg/m3

Els valors obtinguts en aquest apartat es mostren en la taula que hi ha a continuació:

Taula 11.23. Massa del reactor.

Massa cilindre (kg) 1288.18

Massa capçal (kg) 269.55

63

Massa reactor (kg) 1827.28

Massa reactor omplert amb aigua (kg) 15190.80

Massa reactor en operació (kg) 13087.11

11.3.1.7. Intercanvi de calor

La reacció que es produeix al reactor és de naturalesa endotèrmica, i part dels reactius passen

a la fase gas, de a e a ue el ea to e ue ei d e e gia t i a pe pode ope a a la

temperatura desitjada. Per escalfar reactors existeixen diversos mètodes com els serpentins

interns, la camisa o la mitja canya. El serpentí és la tècnica que aporta més energia amb més

fa ilitat, ja ue al esta disposat a l i te io del ea to o p ese ta els p o le es de

transferència de calor a través del gruix de la paret, típic de les tècniques de transferència de

alo e te a. Tot i ai í, degut a la p es ia de su stà ies ue e p es ia d aigua pode

ad ui i u a à te fo ta e t à id, es de idei utilitza u e a is e d apo ta i d e e gia

e te a. De les dos t i ues dispo i les, s ha escollit la mitja canya per mantenir el reactor a

ºC. El fluid ue s e a ega d apo ta alo al ea to s l oli t i DOWTHE‘M J, ja ue s

el ue s utilitza a la esta de la pla ta pe als es a iado s de alo .

Primer de tot, és necessari determi a l à ea de la ual es disposa pe du a te e ope a io s

d i te a i de te pe atu a. Pe fe -ho s e p a la següe t e p essi :

= � · · = . · · . = . .

Tot seguit s ha de o i e la apa itat de t a s issi de l e e gia, de a e a ue s ha de

calcular el coeficient global de transmissió de calor.

= ℎ + + · �n· + · ℎ + · .

On:

- U: coeficient global de transmissió de calor (W/m2·K)

- h: coeficient de pel·lícula (W/m2·K)

- F: fa to d e uti e t W/ 2·K)

64

- K: coeficient de conductivitat tèrmica del material entre els fluids (W/m·K)

- E: part externa del reactor

- I: part interna del reactor

Pe t o a els fa to s d e uti e t al observar la següent figura.

Figura 11. . Fa to s d’e uti e t.

Co s o se a e la figu a ue apa ei a o ti ua i el alo del oefi ie t de pel·lí ula de l oli

tèrmic ve definit per la velocitat que té el fluid dintre de la mitja canya.

65

Figura 11.12. Valor del coeficient de la pel·lí ula de l’oli.

Bi liog àfi a e t, s ha o se at ue les elo itats típi ues de fluids e a o ades sol esta

entre 1.5 i 2.5 m/s. Escollint una velocitat de 2 m/s, tenim que el coeficient de pel·lícula és de

1500 W/m2·K

El coeficient de pel·lícula del líquid del reactor es calcula seguint la següent figura. Degut a la

p es ia de a ies su stà ies e a uest, s es ull el alo dels sol e ts o gà i s, ja ue s les

substàncies presents al reactor que pitjor coeficient de pel·lícula presenten.

66

Figura 11.13. Coeficient de pel·lícula aproximats per a diferents productes.

Conseqüentment, el coeficient global de transmissió de calor és de 253.286 W/m2·K

Com es coneix la quantitat de calor que cal aportar, les següents equacions determinen els

paràmetres ue defi ei e l i te a i.

= · · ∆ . = · · . = − − −�n −− .

On:

- Q: alo a apo ta al ea to pe pa t de l oli t i = W

- cp: alo espe ífi de l oli t i (J/kg·k)

- : a al àssi d oli t i ue i ula pe la itja a a Kg/h

- ΔT: dife ia de te pe atu es e t e l e t ada i la so tida de l oli ℃)

- A: à ea de es a i e ue ida pe a l i te a i d e e gia 2)

- DTML: mitjana logarítmica de temperatures, o side a t te pe atu es d e t ada i

sortida del fluid tèrmic, T1 i T2 respectivament, i la temperatura del reactor TR.

67

Co es pot o se a a l e ua i ASDRADSF, una diferència de temperatures grans comporta la

e essitat d u a al àssi e o , e a a ue per motius de seguretat, no convé fer un salt

de temperatures major a 30℃. És pe ai , ue s es ull a uest dife e ial de te pe atu es pe

a dete i a les e essitats de a al àssi d oli. Pe , o dispose del alo de la apa itat

calorífica, ja que les temperatures no estan encara definides.

U op el oefi ie t glo al de t a s issi de alo s o egut, s pot o te i l à ea e ue ida

pe a du a te e u es a i de alo suposa t la te pe atu a del a al d e t ada de l oli

t i itja ça t l e uació qwefaewf. El alo d a uesta te pe atu a hau à de se tal ue

e ue ei i u a à ea i fe io a l à ea dispo i le de es a i.

Pe a u alo de la te pe atu a d e t ada de ℃ tenim que

= − − −�n −− = .

= . · . = .

= . · = /ℎ

Les equacions que defineixen les característiques de la mitja canya són les següents

, = · ⁄ .

� = �⁄, .

= · .

= · .

ℎ = � + .

68

On:

- Dtub: diàmetre del tub de la mitja canya (m)

- At.tub: àrea transversal de la mitja canya (m2)

- Voli: elo itat de l oli e la itja a a s-1)

- : a al àssi de l oli tèrmic (kg/s)

- L: longitud de la mitja canya (m)

- nvoltes: número de voltes de la mitja canya

- htubs: alçada entre els tubs (m)

Pe tal d a a ati ostos de fa i a i , e o ptes de disposa d u a elo itat del fluid de

/s, s i a à d utilitza u dià etre que proporcioni aquesta velocitat

aproximadament, però que tingui unes dimensions estandarditzades. Per a un diàmetre de

8 cm, tenim que:

, = · . ⁄ = . � = .⁄. = .

Com la velocitat és molt semblant, no canvia cap propietat, si bé, en tot cas milloraria la

transferència de calor.

Per últim,

= .· . = .

= .· . = . =

ℎ = .+ = .

Aïllament

Pel ue fa a l aïlla e t de l e uip, s ha utilitzat el p og a a Calo ol d I sula , pe dete i a

l espesso de l aïlla t e o a at a l o je tiu de ue la supe fí ie del ea to estigui a ℃,

69

utilitzant llana mineral de roca amb una densitat de 80 kg/m3. El g ui de l espesso e o a at

és de 0.83 polzades.

11.3.2. Reactor catalític multitubular. Producció de FREÓ-13

11.3.2.1. Introducció

El sego pas del p o s, u op s ha a o seguit sepa a el FREÓ-12 generat al primer reactor,

és convertir aquest en freó 13. La reacció present en aquest cas és la següent

3CCl2F2 2CClF3 + CCl4

El di lo odifluo o età ge e at al p i e ea to es des o po , e p es ia d u atalitzado ,

e lo ot ifluo o età i tet a lo u d a ti o i. El atalitzado ue p o ou a uesta ea i s

el lo u d alu i i, u s lid g ogue i po s.

Cal esmentar, que la formació de freó 13 a partir de freó 11, també és possible en presència

d a uest atalitzado , segui t la següe t ea i :

3CCl3F CClF3 + 2CCl4

Però, produeix menys mols de clorotrifluorometà i més de tetraclorur de carboni, amb la qual

cosa es decideix recircular al primer reactor de nou, per a que produeixi més FREÓ-12.

Degut a ue es des o ei e les dades i ti ues d a uesta ea i , s ha seguit la pate t

US2426637, en la qual la reacció es produeix pressió atmosfèrica i a 128℃. Per conèixe l estat

físic de les espècies presents en el reactor només cal veure a continuació les seves

te pe atu es d e ulli i a at osfe a.

Tala 11.24. Te pe atu a d’e ulli i del CFC al sego ea to .

Te peratura d’e ulli ió ℃

CCL2F2 -29.79

CCLF3 -81.44

CCL4 76.75

Te i t e o pte ue a p essi at osf i a, el lo u d alu i i o passa a fase lí uida fi s a

187.7℃, �s d�narà una r�acci� bi�àsica, t�nint una �as� gas �u� c�ntindrà r�actius i productes, i una fase sòlida formada pel catalitzador.

70

Els r�act�rs �u� ��d�n a�b�rgar a�u�st ti�us d’��raci�ns, s��n s�r ��s d� ��it �i�, ��it m�bi� i ��it ��u�ditzat. C�m �s ��urà més �nda�ant, a�u�st r�act�r r��u�r�i� d’un r��rig�rant, ja �u� �s tracta d’una r�acci� ��tèrmica. T�nint �n c�m�t� a�u�st ��t, i la desactivació del

catalitzador, una solució prou bona seria la de fer servir un llit fluïditzat, ja que al

adquireix una homogeneïtzació del llit, evitant gradients de temperatura. Cal esmentar, �u� �� c��rur d’a�umini s��r�i� d�sacti�aci� amb t�m��ratures massa altes, així com per

temperatures massa baixes disminueix la seva conversió. A més, igual que en el cas del �rim�r r�act�r, �a �r�sència d’aigua ��t ��r �u� a�u�st ��rdi �a s��a acti�itat disminuint �a seva vida útil. Apart del llit fluïditzat, un llit mòbil podria regenerar el catalitzador a

mesura que anés sortint del reactor, pel que a primera vista tots dos serien una bona

opció.

Ma�grat t�t, ��s úni�u�s dad�s d� ��s �ua�s �s dis��sa �r��n�n d’��rim�nts �n ��ant�s pilots, i no de plantes indust ials. El a i d es ala d u llit fluïditzat o il a es ala de

laboratori, a un a escala industrial sol resultar bastant imprecís degut a les complexitats que

egei e a uests tipus d ope a io s, i, apa t d ai , es e ue ei de ostos d ope a i s alts

i equips addicionals com ciclons i regeneradors de catalitzador, que podrien resultar útils en

casos de catalitzadors que disminuïssin la seva activitat molt ràpidament, però aquest no és el

cas com es mostrarà més endavant.

És per això, que es decideix treballar amb un reactor de llit fix multitubular, degut a que a

l ho a de ealitza la ef ige a i s a o seguei ajo à ea de es a i, ai í o u a

dis i u i dels g adie ts de te pe atu a. Ai í atei , el fet d es olli u ea to de llit fi , fa

que el a i d es ala e t e el ea to des it a la pate t, i el ue es disse a à a es ala

industrial, tinguin més similituds, podent preveure amb més exactitud el comportament

d a uest ea to .

La pate t p opo io ada, disposa de a is e e ples d ope a i , en els quals opera a diferents

te pe atu es i ela io s de a als. L e e ple es ollit ha sigut el p i e , degut a ue p ese ta

u a o a o e si i u a dis i u i de l a ti itat petita e o pa a i a alt es e e ples.

La o e si d a uest ea to a iba inicialment fins al 90%, però va disminuint a mesura que

passa el temps degut a la pèrdua de catalitzador en pes, formant-se AlF3 de la següent

manera:

3CCl2F2 + 2AlCl3 2AlF3 + 3CCl4

71

L AlF o atalitza la ea i , pe la ual osa s ha d e ita la seva formació el màxim possible

donant valors de temperatura i relacions de cabal respecte catalitzador que minimitzin aquest

valor al màxim.

E a uesta pate t s o se a ue al te i i de l e pe i e t, de ho es, hi ha p ese t u

. % e pes d AlF3 en el catalitzador, de manera que la seva desactivació es bastant lenta.

Qua tifi a t la p dua d a ti itat del atalitzado e el pe íode d ope a i , ue so dies

fi s la pa ada de la pla ta, la p es ia d AlF3, serà de gairebé un 3% en pes, comportant una

p dua de la o e si e la atei a esu a. Fe t la itja a e t e la o e si a l i i i i al fi al

del pe íode d ope a i s o t u alo d u a o e si del . %. U op s efe tuï la pa ada de

la planta es procedirà a la renovació del catalitzador per dur a terme el següent procés.

11.3.2.2. Balanç de matèria

A a s d ap ofu di e el àl ul dels pa à et es ue defi ei e al ea to s ha de fe u a

o p o a i del ala ç de at ia, pode t o se a si els a als àssi s d e t ada

coincideixen amb els cabals de sortida.

+ = + .

L e ua i del ala ç de at ia e defi it pels següe ts te es.

Entrada (E): La entrada inclou el cabal màssic de FREÓ-12, tant el que prové del procés

com el que no ha reaccionat un cop es recircula.

= , + , .

On:

- MCCl2F2,o: Cabal màssic de diclorodifluorometà provinent de la primera part del procés

(Kg/h)

- MCCl2F2,R: Cabal màssic de diclorodifluorometà provinent de la recirculació

, = . + . = . /ℎ

Generació (G): El terme generació inclou totes les formacions o descomposicions de

productes. Aquests valors vindran donats per les conversions assolides en la reacció,

72

de a e a ue la ge e a i se à la dife ia de a al àssi e t e l e t ada i la

so tida d u omponent.

� = �, − �, = �, − �, · � .

On:




Sortida (S): La sortida recull el cabal de productes formats, així com de reactius que no

han reaccionat, i ve donat per les conversions de les reaccions

, = ,� · − .

, = ,� + · · .

, = + · · .

On:




- Fi: Ca al ola de l esp ie i K ol/h

- PMi: Pes ole ula de l esp ie i (Kg/Kmol)

- X: Conversió de la reacció

Els valors obtinguts es recullen a la taula següent:

73

Taula 11.25. Balanç de matèria.

ENTRADA SORTIDA

F (Kmol/h) M (kg/h) F (Kmol/h) M (kg/h) Generació (Kg/h)

CCl2F2 22.6 2732.620 2.599 314.251 -2418.369

CCl4 0 0 6.667 1025.530 1025.530

CClF3 0 0 13.334 1392.839 1392.839

TOTAL 22.6 2732.620 22.6 2732.620 0

Acumulació: Degut a que la operació es en continu aquest terme és igual a 0.

Te i t e o pte ue el o epte d a u ula i s ul e a uest tipus d ope a i , es pot

veure a la taula 232343 que els cabals molars i màssics totals coincideixen. De la mateixa

manera, el sumatori de les generacions de cada espècie es 0, ja que la massa no es genera ni es

destrueix, de manera que el la massa total que es genera per una determinada espècie ve

do ada pe la des o posi i d u a alt a esp ie. Es pe ai , ue es pot di ue el ala ç de

matèria es compleix.

11.3.2.3. Balanç d’energia

En aquest apartat es procedeix a calcular si la reacció és exotèrmica o endotèrmica, per tal de

dete i a si e ue i à l apo ta i d e e gia o, pel o t a i, es e ue i à d u siste a de

ef ige a i . Cal te i e o pte ue les o di io s d ope a i ha de se de 128℃, ja que si la

ea i ge e s e e gia i o es dispos s d u siste a de ef ige a i , pod ie te i llo

reaccions sense control, amb el conseqüent increment de la pressió, comportant un perill de

segu etat pe al pe so al de la pla ta. D alt a a da, si el ea to e ue ís e e gia e te a i o

dispos s d ella, la te pe atu a del ea to dis i ui ia, a la o seqüent davallada de la

conversió global.

L e e gia ue ald à apo ta o eti a del ea to es pot t o a segui t els següe ts passos:

∆ = ∑ ��= · ∆ ,� − ∑ � · ∆ ,� ��= .

On:

74

- ΔHr: Va ia i de l e talpia de la reacció. Degut a que el procés és en continu, es

o side a à la a ia i de l e talpia e fu i del a al ola , s a di , l e e gia ue

consumirà o generarà la reacció en un temps determinat en funció dels cabals que

reaccionen (KJ/h)

- ΔHf,i: E talpia de fo a i de l esp ie i a la te pe atu a d ope a i KJ/K ol

∆ = ∆ + · ( − ) .

On:

- ∆H : E talpia de fo a i de l esp ie i, a la te pe atu a de efe ia, Tref (KJ/Kmol)

- Cp: Calo espe ífi de l esp ie i KJ/kmol·K)

- Top: Te pe atu a d ope a i K

Taula 11.26. Entalpies de formació.

CCl2F2 CCl4 CClF3

Entalpia de formació (KJ/Kg) -4018.9 -595.4 -6779.3

∆ = − . ℎ = �

D a uesta a e a s o se a, do s, ue la ea i s exotèrmica, per la qual cosa caldrà

eti a el alo a u siste a de ef ige a i . Co s ha es e tat, p ia e t e la

i t odu i , s opta pe utilitza u ea to de llit fi ultitu ula , a l o je tiu de edui els

gradients de temperatura, especialment els produïts de forma radial.

11.3.2.4. Disseny funcional

Segons la patent que es segueix, per tal de poder assolir els objectius de conversions esmentat

a a s, l ali e t e t a e u a p opo i de . kg/h pe ada kg de atalitzado . ‘ealitza t u

càlcul senzill es pot trobar la quantitat de catalitzador requerit.

75

� = �. = . ℎ⁄. = . .

On:

- Mcatalitzador: massa requerida de catalitzador al reactor (kg)

- Maliment: a al àssi d e t ada al ea to (kg/h)

Coneixent la densitat del catalitzador, podem conèixer el volum que ocuparà aquest en el

reactor. Cal tenir en compte, però, que no serà la densitat de la partícula, sinó la densitat

apa e t del atalitzado la ue dete i a à el olu total d o upació. La densitat aparent, té

e o pte la po ositat, i pe ta t la f a i d espais uits.

Bibliogràficament es troba que la densitat del catalitzador és de 2480 kg/m3. Per trobar la

densitat aparent cal resoldre la següent equació:

= · − .

On:

- ap: densitat aparent del llit (kg/m3)

- part: densitat de la partícula (kg/m3)

- : porositat del llit

Bi liog àfi a e t, es t o a ue els alo s típi s de po ositat pe a atalitzado s d a uest tipus

sol se d e t e . i . . Pe a un valor de 0.4 tindrem:

= · − . = /

El volum que ocuparà aquest catalitzador es calcula com:

= . ⁄ = . .

Tot i així, es decideix sobredimensionar el volum del catalitzador, per tal de poder tenir més

versatilitat en cas de voler augmentar la producció

, = . · . = . .

76

Per a aquesta operació, el nombre de tubs ha de ser aquell que permeti una bona transmissió

de alo , a la egada ue disposi d u gi tu ule t.

Pe u o e de tu s de s o te e els següe ts alo s:

= , = . = . ⁄ .

Esta li t u dià et e i te de , et es ada tu es pot al ula l alçada de adas u ,

com:

= · = . · . = . .

Co egudes les di e sio s geo t i ues dels tu s s ha de p o edi a o p o a si el gi

ue s o igi a s tu ule t, i si ai í ho s, ui a se à la aiguda de la p essi del gas al passa a

través del llit.

= · = · . = . · − .

= · = . ℎ⁄ · ℎ ⁄· . · − = . ⁄ .

= · · = . · . · .. · − = . .

On:

- Atransv: àrea transversal tub (m2)

- D: diàmetre tub (m)

- Vsup: velocitat superficial del gas (m/s)

- : densitat del gas (kg/m3)

- Nt: número de tubs

- : viscositat del gas (kg/m·s)

- NRe: nombre de Reynolds. Re>3000 indica règim turbulent.

Per poder trobar el valor de la pèrdua de carrega que sofreix el gas al passar a través del llit

s ha d e p a els següe ts todes de àl ul:

77

= · .

� = −· · − · · − · + . · .

On:

- G: flux màssic de gas (Kg/m2·s)

- : densitat del gas (Kg/m3)

- δP: p dua de pressió del gas a través del llit (Pa)

- δz: dife ia de l alçada a t a es del llit

- Dp: diàmetre de la partícula del catalitzador = 5-20 mesh = 0.002 m

- : porositat del llit

= . · . = . ·⁄ � = − .. · . · − .. · · − . · .. + . · . = − ⁄

= − � · � = − · . = − = − . .

D a uesta a e a, la p essi e ue ida d e t ada al ea to pe tal de e a uesta p dua i

no generar-se buit serà:

, = �� − = + . = . .


U op sa e t el o e de tu s ue ti d à el ea to , s e p a el odi A“ME pe al disse

mecànic dels tubs.

La determinació de les característiques mecàniques dels tubs depèn de diversos factors, entre

els uals es t o e la te pe atu a i la p essi a la ual ope a à el ea to . Ta atei , a l ho a

de disse a el ea to s hau à de disposa d u fa to de segu etat, de a e a ue es

realitzaran els càlculs amb les temperatures i pressions de disse , i o d ope a i . Pe al ula

aquests valors es disposa del següent mètode de càlcul:

� = �� + ℃ = + = ℃

78

Pel ue fa a la p essi de disse , s utilitze dos e ua io s, de les uals s ha d e t eu e el alo

del mètode que doni un valor més gran.

� , = . · �� = . · . = .

� , = �� + . .

� , = . · . = .

� , = . + . = .

O se a t els alo s al ulats, s es ull la p essi de disse do ada pe l e ua i .

Espessor dels tubs

En aquesta reacció, els components que hi ha presents no tenen característiques corrosives,

per la qual cosa es considera que el material a escollir no ha de ser extremadament resistent a

la o osi , o e a el as de l a te io ea to .

E a uest as s opta pe e p a a e i o ida le L, ja ue p ese ta o es a a te ísti ues

mecàniques i resisteix bé les característiques de les substancies amb les quals entrarà en

o ta te. Cal di , a s, ue l a e t u oefi ie t de t a s issi de te pe atu a fo ça ele at,

pe la ual osa se à u a o a op i a l ho a de ef ige a l i te io dels tu s.


= ·· − . · + .

On:

- t: espessor del tub(mm)


- R: radi intern del tub (mm)




79

La à i a te si ad issi le del ate ial s o t de la següe t taula:


A la temperatura de 148℃ (298.4℉), la màxima tensió admissible és de 15.7 ksi (1068 atm)

= . · ⁄· . − . · , + = .

A l o je tiu d a a ati ostos, i tenint en compte, que el reactor requereix de poca

resistència mecànica i corrosiva, es decideix deixar el diàmetre definitiu en 2 mm.

El diàmetre extern dels tubs serà, doncs:

= + · = . + · . = . .

El volum ocupat pels tubs al reactor es calcula de la següent manera:

= · · , · = · · . · . = . .

Disposició dels tubs

Els tubs del reactor per tal de poder-se du a te e l i te a i d e e gia, esta a ol·locats

di t e d u a a assa, fu io a t d u a a e a olt si ila a o ho fa ia u es a iado de

a assa i tu s. D a uesta a e a, s ha de sele io a la disposi i ue adopta a els tu s

di t e del ea to , pe tal d afa o i al à i a uesta t a sfe ncia de calor. Industrialment,

les maneres de col·locar els tubs més emprades són les triangulars, quadrades, o les

romboïdals, les quals es mostren en les figures que apareixen a continuació.

80

Figura 11.15. Maneres de col·locar els tubs més utilitzades.

La o oïdal i la t ia gula s les ue o fe ei e illo t a sfe ia d e e gia, i la

uad ada s la ue p ese ta s fa ilitats a l ho a de la eteja. Co side a t, ue pe la pa t

e te a dels tu s i ula à l oli t i ue s e p a ta al p i e eactor, no existiran greus

problemes de neteja, amb la qual cosa es selecciona el la disposició triangular com la

definitiva. Per tal de garantir una bona transferència i oferir alhora la possibilitat de realitzar

tasques de neteja, la distància òptima entre els tubs es calcula de la manera següent:

= . · = . · . = . .

On:

- pt: pitch triangular = distància entre tubs (m)

- Dext: diàmetre extern dels tubs (m)

Característiques de la carcassa

Coneguda la disposició dels tubs es pot procedir a calcular el diàmetre de la carcassa amb la

següent equació, calculant prèviament Db

= · ( ) ⁄ . On:

- Db: bundle diameter, o diàmetre del feix (m)

- Dext: diàmetre extern dels tubs (m)

- Nt: número de tubs

Per conèixer K1 i n1, es consulta la següent taula

81

Figura 11.16. Valors de les constants per a una disposició triangular.

Per un pas per carcassa i una distribució triangular tindrem que:

= . · ( . ) .⁄ = .

Per conèixer el diàmetre final de la carcassa caldrà primer saber quin tipus de carcassa

s e p a à. Dels dife e ts tipus de a assa e iste ts, es de idei fe se i u a a assa del

tipus pull-t hough floati g head. A uesta de isi s ha p es te i t e o pte ue a ada pa ada

de la pla ta s hau a de fer tasques de manteniment, reparacions i recanvis de catalitzador, i

a uest tipus de a assa o e fi ada, pe la ual osa es pot des u ta i e t eu e els tu s.

Apa t d ai , s la ue p opo io a s dista ia e t e el fei de tu s i la pa et, essent la més

versàtil i adequada per aquest cas.

Co s ha es e tat a a s, u op o egut el dià et e del fei i el tipus de a assa ue

s utilitza à, es pot o i e el dià et e total de la a assa o se a t la següe t figura:

82

Figura 11.17. Diferència entre Dcarcassa i Dfeix dels tubs en funció de Db per a diferents tipus de carcassa.

Aquesta taula ens dona la distància que hi haurà entre el feix de tubs i el diàmetre de la

a assa. Degut a ue es t a ta d u ea to ultitu ula , i o d u es a iador, el valor que

us ue o apa ei a la g àfi a, pe te i t e o pte ue es t a ta d u a fu i li eal,

s i te pola, o te i t u alo ap o i at de de distà ia e t e la pa et de la a assa i

el feix de tubs. Conseqüentment, el diàmetre de la carcassa serà de:

= + . = . + . = . .

Per determinar si les dimensions trobades compleixen el mètode de Kern, cal que el valor de la

relació entre la longitud dels tubs i el diàmetre de la carcassa estigui situat entre 4 i 6

⁄ = .. = . .

La geometria del reactor entra dins del rang, per la qual cosa es decideix continuar amb el

disseny del reactor

Un cop conegut el diàmetre de la carcassa es poden calcular els següents paràmetres que

defi i a l interior del reactor.

83

= . · .

= . · .

= .

, = · · ( ℎ − , )ℎ · .

On:

- Baffle ut : altu a lliu e de la pa talla, s a di , l espai ue ueda entre la pantalla i la

a assa, pe o passa à el fluid del ostat de la a assa. “ e p essa o u

percentatge, i els seus valors òptims oscil·len entre un 20 i un 25%

- IB: espaiat entre pantalles, presentant valors òptims per al rang entre 0.3 i 0.5 vegades

el diàmetre de la carcassa.

- NPD: número de pantalles deflectores

- At,C: àrea transversal de la carcassa

- Dt,E: diàmetre extern dels tubs (m)

- nps: numero de passos per carcassa = 1

= . · . = .

= . · . = .

= .. = . =

, = = . = . .

, = . · . · . − .. = .

Espessor de les parets del reactor

Tot seguit es procedeix a determinar els gruixos que requeriran les parets del reactor, les quals

hau a de pode assoli les o di io s de t e all a l i te io del ea to . U fa to

imprescindible per conèixer els espessors de les parets, es establir la geometria del reactor.

84

Degut a ue el ea to t e alla a p essio s altes s es ull la o figu a i ue apo ta s

resistència. Aquesta disposició consisteix en un cos cilíndric, amb dos capçals de geometria

toriesfèrica, com es mostra a la següent il·lustració.

11.18. Cos cilíndric amb dos capçals de geometria toriesfèrica.


= ·· − . · + .

On:

- t: espessor de la paret cilíndrica del reactor (mm)


- R: radi intern del reactor (mm)




El alo de l espesso depe d à, do s del ate ial es ollit. Fe t u a àlisi de les su stà ies

presents a l i te io de la a assa, s o se a ue o hi hau ie d ha e -hi problemes per

corrosió, ja que el fluid que hi circula és oli tèrmic. Malgrat això, per qüestions de seguretat, es

determina treballar amb acer inoxidable 316L, a l o je tiu de aximitzar la vida útil de

l e uip. La à i a te si ad issi le del ate ial s o t de la següe t taula:


A la temperatura de 148℃ (298.4℉), la màxima tensió admissible és de 15.7 ksi (1068 atm).

“ ha es ollit a uesta te pe atu a degut a ue, o es pot eu e a la taula, els alo s de la

85

màxima tensió admissible no varien fins els 300℉, i la temperatura del fluid que circularà per

la a assa, se à se p e i fe io a la te pe atu a d ope a i del reactor. És per això, que el

valor obtingut de la taula es considera correcte.

= . · ⁄· . − . · , + = .

A l o je tiu d a a ati ostos, i tenint en compte, que el reactor requereix de poca

resistència mecànica i corrosiva, es decideix deixar el diàmetre definitiu en 5 mm

El diàmetre extern de la carcassa serà, doncs:

= + · = . + · / = . .

L e ua i ue pe et al ula el g ui de les pa ets dels apçals to iesf i s s la següe t.

= · ·· · − . · + + .

On:

- t: espessor del capçal toriesfèric (mm)


- L: Diàmetre del reactor (mm)




- C2: tole à ia de fa i a i = % de l espesso

- M: factor que depèn de la relació R/r

La tole à ia a la fa i a i s ha de te i e o pte, ja ue a dife ia del os ilí d i del

reactor, un capçal toriesfèric pot comptar amb petites imperfeccions degudes a la complexitat

de la seva geometria. Per aquest motiu, es sobredimensiona el gruix un 10% del gruix obtingut.

El factor M, ve determinar per la relació R/r, esmentada anteriorment. Un valor típic en els

capçals toriesfèrics és R=10·r, i observant la següent taula es pot determinar el valor M.

86

Figura 11.20. Valor de M en funció de R/r.

Analitzant la taula es recull el valor M=1.54

= ( . · · .· . · − . · . + ) · . = .

Igual e t ue e l espesso del os ilí d i , s esta lei u alo està da d de g ui os pe

a a ati el ost, de a e a ue l espesso se à de 8 mm d a e i o ida le L.

Característiques geomètriques

Una de les característiques essencials del reactor és la seva alçada. Per calcular-la es segueix el

següent mètode de càlcul.

ℎ = . · , ç . = . · − . · , ç . = + · , �

ç = ℎ + . = � + · ç .

On:

- tesp,capç: espessor del capçal (m)

- DE: diàmetre extern del reactor (m)

- DI: diàmetre intern del reactor (m)

- tesp,cil: espessor del cilindre (m)

- Hcapçal: alçada del capçal toriesfèric (m)

- Hcil: alçada del cilindre de la carcassa = alçada dels tubs (m)

- Hreactor: alçada del reactor/carcassa (m)

Taula 11.28. Alçada reactor.

H 0.028

87

F 0.302

Alçada capçal (m) 0.323

Alçada reactor (m) 9.617

El volum del reactor, es podrà calcular llavors amb la següent expressió:

= � � + · ç = · · � + · . · .

On:

- Vreactor: volum total del reactor (m3)

- Vcilindre: volum que pot albergar el cilindre del reactor (m3)

- Vcapçal: volum que pot albergar un capçal del reactor (m3)

- D: diàmetre del reactor (m)


Els resultats obtinguts es mostren a continuació

Taula 11.29. Volum del reactor.

Volum del cil·lindre (m3) 16.681

Volum del capçal (m3) 0.2979

Volum del reactor (m3) 17.277

Massa del reactor

Estant especificades les dimensions del reactor, amb la seva geometria i els espessors de les

pa ets es p o edei a t o a el pes de l e uip. Les següe ts e p essio s s utilitze pe e t eu e

aquests valors.

= � + · ç + .

� = · � · ( ) − ( ) · .

ç = ç · · ç .

ç = . · .

= · · ( , − , ) · · .

88

= . · .

� = + � · − .

= + � · − + � .

On:

Mreactor: assa de l e uip kg

Mcil: massa del cilindre del reactor (kg)

Mcapçal: massa del capçal del reactor (kg)

Mtubs: massa dels tubs (kg)

Mtot: massa del reactor tenint en compte

Scapçal: superfície del capçal (m2)

Degut a la quantitat de resultats obtinguts, es procedeix a mostrar-los en la taula que hi ha a

continuació.

Taula 11.30. Massa del reactor.

Massa del cilindre (kg) 1727.687

Massa del capçal (kg) 141.602

Massa dels tubs (kg) 8255.778

Massa del reactor (kg) 11293.336

Massa reactor omplet amb aigua (kg) 28570.413

Massa del reactor operatiu (kg) 27787.407

11.3.2.6. Intercanvi de calor

La reacció produïda en aquest reactor genera energia en forma de calor, degut a que la reacció

s e ot i a. A uest fet i pli a el e ue i e t d u fluid ef ige a t pe tal de eut alitza

l aug e t de la te pe atu a, el ual p o o a ia la p dua d a ti itat del catalitzador.

Pe tal de o i e els a als i les te pe atu es d e t ada i de so tida del a al, s ha de

ealitza u àl ul ite atiu, e el ual s a i i a la illo op i de disse . P i e de tot, al

o i e l à ea de es a i ue disposa an els tubs.

= · · · = . .

89

Per trobar la pèrdua de pressió que sofreix el fluid tèrmic que circula per la carcassa es pot

resoldre amb la següent expressió.

∆ = · · � · � · · ( ) .

On:

- ∆P: p dua de p essi del fluid t i ue i ula pe la a assa a

- Dc: diàmetre de la carcassa (m)

- Deq: diàmetre equivalent de a través dels tubs (m)

- L: longitud dels tubs (m)

- IB: espai entre pantalles (m)

- JF: factor de fricció. Es determina mitjançant la taula que apareix a continuació.

Figura 11.21. Factor de fricció en funció del nombre de Reynolds.

= . · ℎ − . · = . .

El nombre de Reynolds es pot calcular com:

= · �� .

90

On:

- Goli: flu àssi de l oli t i a t a s de la a assa Kg/ 2·s)

- µoli: is ositat de l oli t i Kg/ ·s

� = �, .

On:

- moli: a al àssi d oli kg/s

- At,C: àrea transversal de la carcassa (m2)

= · ∆ .

= · .

= − − −�n −− .

� = �· � .

On:

- Q: calor que cal retirar (W)

- Cp: apa itat alo ífi a de l oli t i J/kg

- A: àrea requerida per al bescanvi de temperatura (m2)

- DTML: itja a loga ít i a de te pe atu es. T e o pte les te pe atu es d e t ada

i sortida del fluid tèrmic, T1 i T2 respectivament, així com la temperatura del reactor, TR.

- U: coeficient global de transmissió de calor (W/m2·K)

- voli: elo itat supe fi ial de l oli t i /s

Pe al àl ul del oefi ie t glo al de t a s issi de alo , s e p a el atei es ue a de àl ul

que el utilitzat en el primer reactor. Recordant-ho, es té que:

91

= ℎ + + · �n· + · ℎ + · .

On:

- h: coeficient de pel·lícula (W/m2·K)

- F: fa to d e uti e t W/ 2·K)

- K: coeficient de conductivitat tèrmica del material entre els fluids (W/m·K)

- E: part externa del reactor

- I: part interna del reactor

Per trobar els fa to s d e uti e t al observar la següent figura.

Figu a . . Fa to s d’e uti e t.

El oefi ie t de pel·lí ula de l oli e do at pe la següe t figu a:

92

Figu a . . Coefi ie t de pel·lí ula de l’oli.

Finalment, degut al elevat nombre de alo s ue s ha de p ese ta , s utilitza la següe t taula

on es recullen els paràmetres que defineixen el sistema de refrigeració del reactor.

Taula 11.31. Especificacions del reactor catalític multitubular.

Q (W) -92462,886

NRe 3130,040

m (Kg/s) 2,886

Voli (m/s) 0,0079

JF 0,004

∆P (kPa) 0,0997

U (W/m2·K) 70,5803

Adisp (m2) 503.78

Areq (m2) 92,2313

T1 (℃) 105

T2 (℃) 120

Tr (℃) 128

DTML 14,204

Co es pot eu e a la taula, l à ea dispo i le pe al es a i de alo s s g a ue la

mínima necessària, per la qual cosa es podrà dur a terme el bescanvi de temperatura de

manera correcta. Cal esmentar, que per intentar minimitzar els efectes dels gradients de

93

te pe atu a a ials, s e t a el fluid ef ige a t e pa al·lel. Apa t d ai , la zo a d e t ada al

reactor, és la que més energia genera, requerint de la major capacitat del fluid per retirar

a uest e s d e e gia.

Aïllament

Pel que fa a l aïlla e t de l e uip, s ha utilitzat el p og a a Calo ol d I sula , pe dete i a

l espesso de l aïlla t e o a at a l o je tiu de ue la supe fí ie del ea to estigui a ℃,

utilitzant llana mineral de roca amb una densitat de 80 kg/m3. El gruix de l espesso e o a at

és de 1.69 polzades.

11.4. Bescanviadors de calor

Els bescanviadors són equips molt utilitzats a la industria. A la planta CADMA chemicals es

disposa d u total de 26 bescanviadors, entre els quals es poden diferenciar 3 tipus de

bescanviadors. Bescanviadors de carcassa i tubs, condensadors i kettle-reboilers de les

columnes de destil·lació. En els condensadors i els kettle es produeix un canvi de fase, en

canvi, en els bescanviadors de carcassa i tubs podem trobar cassos que si que hi ha un canvi de

fase i e alt es ue o hi ha.

Ara es presentaran les principals característiques de cada un dels diferents tipus de

bescanviadors:

Bescanviadors de carcassa i tubs

Aquest tipus de bescanviador és el més utilitzat a la industria, ja que presenta una gran

diversitat de configuracions i permet treballar amb un ampli rang de temperatures i pressions.

94

També presenten la possibilitat de treballar amb grans àrees de contacte, que poden arribar

fins als 6000 m2, i per tant es poden utilitzar en els cassos que es requereixi tenir un gran

bescanvi de calor entre el fluid de procés i el fluid tèrmic. També cal esmentar que el cost

d a uests es a iado s s ai i ue la se a ope a i s fà il.

Formats per una carcassa cilíndrica que en el seu interior conte un feix de tubs cilíndrics, amb

el seu ei pa al·lel a l ei de la a assa. Els tu s pode se llisos, aletejats, lo gitudi als i

també poden ser rectes o corbats en forma de U.

Condensadors

Són bescanviadors de carcassa i tubs en els quals es produeix un canvi de fase total o parcial. El

fluid entra en fase gas i passa a la fase liquida. El fluid de procés passa per carcassa i el

refrigerant R-1270 passa per tubs. A la planta CADMA hi ha 4 condensadors, dels quals 3 són

condensadors parcials i un total. Els condensadors parcials és fan servir per re introduir un

cabal de líquid fred a la columna per a que hi pugui haver-hi la destil·lació.

Kettle-reboilers

Els kettle- e oile s s u tipus de es a iado s espe ials, ue s utilitze e els fons de les

olu es de destil·la i pe e apo a pa t del o e t d e t ada al es a iado , ea el

eflu i p opo io a la alo d e ulli i ue es e essita pe la destil·la i . El fluid de p o s

circula per la carcassa i el fluid tèrmic Dowtherm J circula pels tubs.

A la taula 11.32. es mostra un resum de tots els bescanviadors i el fluid tèrmic utilitzat per a

ue es p oduei i la t a s issi de alo . “ ha i te tat ap ofita tots els o e ts ale ts i f eds.

Tot i això, en una planta de les característi ues ue s està disse a t e ue i à u e te s

t e all o puta io al pe o te i u a solu i opti a als p o le es d ap ofita e t d e e gia.

Taula 11.32. Resum de tots els bescanviadors de la planta CADMA chemicals.

Ítem Tipus Fluid tèrmic (entrada) Fluid tèrmic (sortida)

B-201 Carcassa i tubs DEM Dowtherm J a 150oC de caldera Dowthem J a 100oC cap a caldera

B-202 Carcassa i tubs DEU Dowtherm J a 150oC de caldera Dowtherm J a 140oC cap a B-205

B-203 Carcassa i tubs DEM Dowtherm J a 16oC de chiller Dowtherm J a 30oC cap a B-307

B-204a Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 120oC de B-204b Dowtherm J a 115oC cap a caldera

B-204b Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 125oC de B-204c Dowtherm J a 120oC cap a B-204a

B-204c Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 130oC de caldera Dowtherm J a 125oC cap a B-204b

B-205 Carcassa i tubs DEL Dowtherm J a 140oC de B-202 Dowthem J a 120oC cap a caldera

B-206a Carcassa i tubs DEM Dowtherm J a 75 oC de a B-206b Dowtherm J a 100oC cap a torre

B-206b Carcassa i tubs DEM Dowtherm J a 50 oC de a B-206c Dowtherm J a 75 oC cap a B-206a

95

B-206c Carcassa i tubs DEM Dowtherm J a 15oC de chiller Dowtherm J a 50 oC cap a B-206b

B-207a Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 120oC de B-207b Dowtherm J a 115oC cap a caldera

B-207b Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 125oC de B-207c Dowtherm J a 120oC cap a B-207a

B-207c Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 130oC de caldera Dowtherm J a 125oC cap a B-207b

B-208 Carcassa i tubs DEM Dowthrem J a 90oC de torre Dowtherm J a 115o cap a torre

B-301 Carcassa i tubs DEN R-1270 a -50oC de chiller R-1270 a -40oC cap a chiller

B-302 Kettle-reboiler DKU Dowtherm J a 150oC de caldera Dowtherm J a 130oC cap a B-306

B-303 Carcassa i tubs BEN R-1270 a -50oC de chiller R-1270 a -40oC cap a chiller

B-304 Kettle-reboiler BKU Dowtherm J a 150oC de caldera Dowtherm J a 130oC cap a B-304

B-305 Carcassa i tubs DEM R-1270 a -50oC de chiller R-1270 a -40oC cap a chiller

B-306 Kettle-reboiler DKU Dowtherm J a 130oC de B-302 Dowtherm J a 120oC caldera

B-307 Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 30oC de B-203 Dowtherm J a 36oC cap a chiller

B-308 Carcassa i tubs BEM R-1270 a -50oC de chiller R-1270 a -40oC cap a chiller

B-309 Kettle-reboiler BKU Dowtherm J a 130oC de B-304 Dowtherm J a 120oC cap a caldera

B-310 Carcassa i tubs BEU R-1270 a -100oC de chiller R-1270 a -90oC cap a chiller

B-401 Carcassa i tubs BEM Dowtherm J a 24oC de torre Dowtherm J a 40oC cap a torre

B-402 Carcassa i tubs DEM R-1270 a -50oC de chiller R-1270 a -40oC cap a chiller

Tots els bescanviadors han sigut dissenyats amb el programa Exchanger Design and Rating

User Interface que permet el disseny de tots els tipus de bescanviadors i presenta una gran

ase de dades de p opietats físi ues i odels te odi à i s. Tot i ue s ha utilitzat un

software que permet facilitar i optimitzar el disseny és necessari conèixer els diferents

paràmetres que afecten el disseny, presentats a continuació:

1. Paràmetres del procés:

- Decidir quin fluid circula per carcassa i quin per tubs

- Seleccionar el salt de temperatura del fluid de procés

- Establir els límits de pèrdues de pressió tant a la carcassa com als tubs.

- “ele io a els odels de t a sfe ia d e e gia i els oefi ie ts d e uti e t.

2. Paràmetres mecànics:

- Seleccionar el nombre de passos per tubs i per carcassa.

- Especificacions de paràmetres de tubs (dimensió, pitch, material...)

- Especificacions dels paràmetres de la carcassa (bafles, espai entre bafles,

material...)

Una de les eleccions més importants és per on circularan els fluids en el bescanviador, ja que

aquesta elecció decidirà la dimensió del bescanviador, ja que aquest podrà variar

considerablement al tenir una millor o pitjor transmissió de la calor. Seguidament es mostren

les regles bàsiques per decidir per on circularan els fluids:

- El fluid a major temperatura circula pels tubs.

- El fluid a major pressió circula pels tubs.

96

- El fluid més corrosiu circula pels tubs.

- El fluid més brut circula pels tubs.

- El fluid més tòxic circula pels tubs.

- El fluid amb menys pèrdua de pressió circula per carcassa.

- El fluid més viscos circula per carcassa.

- El fluid amb menys caudal circula per carcassa.

- El fluid a condensar circula per carcassa.

Moltes egades s ha d a i a a u a solu i d e uili i al de idi la dist i u i dels fluids i

decidir quin serà el paràmetre més important en el resultat final.

L equació 1 s utilitzada pe estudia la t a sfe ia d e e gia a través de qualsevol superfície.

Q = U · A · ∆T = � · c · t − t = � · c · T − T E�.

On:

- Q: calor bescanviada per unitat de temps (kJ/h)

- U: coeficient global de transferència de calor (kJ/h·m2)

- A: àrea de transferència de calor (m2)

- ΔTml: increment de temperatura mitjana logarítmica

- cp(t): capacitat calorífica del fluid que circula pels tubs (kJ/kg·K)

- wt: cabal màssic del fluid que circula por tubs (kg/h)

- cp(s): Capacittd calorífica del fluid que circula por carcassa (kJ/kg·K)

- ws: cabal màssic del fluid que circula por carcassa

L i e e t de te pe atu a itja a loga ít i a dep dels alo s de les te pe atu es

d e t ada i so tida dels tubs i la carcassa i es poden calcular amb l equació 176.

∆T = T − t − T − t�n T − tT − t E�.

On:

- T1: te pe atu a d e t ada a la a assa

- T2: temperatura de sortida de la carcassa

- t1: te pe atu a d e t ada als tu s

- t2: temperatura de sortida dels tubs

No al e t al ealitza d u e uip de es a i de alo es t e o ta u fa to de o e i

de la te pe atu a itja a loga ít i a, ue o sistei e ultipli a l es e tat alo pe u

factor F.

∆T = F · ∆T E�.

97

Aquest factor es determina en funció del nombre de passos per tubs i per carcassa i dels

paràmetres adimensionals R i S. Aquests paràmetres depenen de la distribució de

temperatures en el bescanviador i es mostren en les equacions 4 i 5.

R = T − Tt − t E�.

S = t − tT − t E�.

La figura 11.24. es mostra la gràfica del Kern per la determinació del factor F de qualsevol

bescanviador que presenti un pas per carcassa i un o més passos per tubs.

Figu a . . Co e i de l’i e e t de temperatura (factor F).

“ego s les dades de te pe atu a i a el alo o egut del alo ue s ha de es a ia i u

alo típi del oefi ie t glo al de t a s issi de alo es pot dete i a l à ea de

transferència necessària. Aquest paràmetre es considera un dels més importants per el disseny

d u es a iado .

98

Ta s ha de te i e o pte alt es pa à et es a l ho a de disse a ualse ol tipus de

es a iado . Co ue s ha t e allat a el soft a e de disse de Aspen l e gi e ha de

vigilar que les dimensions i la distribució de bescanviador estiguin dins dels rangs establerts

segons el codi TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Associaton) i ha de aconseguir un

disseny òptim canviant els valors de les variables permeses.

A continuació es mostraran dife e ts di e ti es de disse ue s ha o side at i po ta ts:

1. Diàmetre de tub

Els diàmetres de tub més comuns són de 3/4 polsades de diàmetre exterior o 1 polsada.

No al e t el dià et e de tu es eduei a otiu d aug e ta l à ea de t a sfe ia

disponible, però es considera 3/4 el valor mínim per motius de neteja i vibració. En alguna

especio es pot utilitzar un diàmetre de 1/2 polzades per tubs curts de menys de 1 metres de

llarg.

2. Nombre de tubs i longitud

El nombre de tubs varia amb la finalitat d esta li u a elo itat opti a del fluid ue i ula

pels tu s. Es possi le ue a u ú i pas pe tu s la elo itat sigui olt le ta, lla o s s ha

d aug e ta el o e de passos pe tu s.

3. Disposició, espai entre tubs i Pitch

A la figura 11.25. es mostra u es ue a d u pit h t ia gula i u de uad at, o el pa à et e

PT correspon al pitch i el paràmetre C és la distància entre tubs.

Figura 11.25. Distribució del pitch.

99

El valor de PT es defi ei a l equació 6 i o al e t s utilitza u pit h triangular (1.25·Dext)

per bescanviadors de carcassa i tubs estàndard i un pitch quadrat (1.5·Dext) per kettle-reboilers.

PT = D x + C E�.

On:

- Dext: diàmetre extern dels tubs

4. Diàmetre de carcassa

El diàmetre de carcassa es determina segons el nombre de tubs que es té i la velocitat a la que

es ol t e alla e el ostat de la a assa. No al e t es illo a l efi i ia al te i el o e

à i de tu s, ja ue d a uesta a e a es a i itza la t a sferència de calor global.

Existeix una relació optima entre la longitud dels tubs i el diàmetre de carcassa, que correspon

a u a g e t e i . “ego s el odi TEMA el dià et e de a assa ha d esta e t e . i .

metres.

5. Material dels tubs

El material dels tu s s ha d elegi te i t e o pte les p opietats dels fluids de p o s i t i s

i el cost econòmic. Normalment, al treballar amb materials barats resulta més econòmic

utilitza di e sio s està da d, e a a ue ai o po ti u aug e t de l espai necessari.

En el cas de CADMA la primera part del procés estarà feta de material inoxidable recoberta de

tefló, ja que el fluid de procés contindrà substàncies corrosives.

6. Disseny dels bafles

L à ea de flu t a s e sal pe a assa es dete i a itja ça t el seu dià et e, l espai e t e

bafles, la distància entre tubs i la distribució de tubs tal i com es mostra a l e ua i 181.

Àr�a = D · C · BPT E�.

On:

- DCARC: diàmetre de carcassa

- B: distància entre bafles

100

Podem dir que a major distància entre bafles tindrem menor nombre de bafles en el

bescanviador i més àrea de flux transversal disponible. La distància mínima entre bafles

normalment correspon a una cinquena part del diàmetre de la carcassa.

“ ha de igila a la p dua de p essi e t e la a assa i els tu s, i pe ta t s hau ia de fi a

una caiguda de pressió per tenir un disseny mecànic que asseguri que la part superior de cada

deflector suporti cada tub.

Un rang de valors de valors típics de bafle cut o espai entre la pantalla i la carcassa seria de 15

a 45% respecte el diàmetre intern de la carcassa. El mètode de Kern utilitza un valor entremig

del 25%.

7. Espai entre bafles

“ ha de te i u a distà ia í i a e t e el lí it e te io dels tu s i el dià et e del defle to

pe p e e i l a a ç del tub degut a vibracions generades en el equip. La distància entre bafles

normalment pren valors entre 0.2 i 1 vegades de la carcassa.

A la figura 11.26. es mostren els diferents bescanviadors de calor existents a la industria

segons les característiques del seu capçal i la seva carcassa.

101

Figura 11.26. Resum general dels tipus de bescanviadors.

E ada u dels es a iado s disse ats s ha o p o at ue la elo itat dels tu s o de la

a assa estigui di t e d u a g típi s o olt p i s als alo s estàndard que es mostren a

continuació:

- Líquid per tubs: 0.9-2 m/s

- Líquid por carcassa: 0.3-1 m/s

- Vapor a buit: 50-70 m/s

- Vapor a pressió atmosfèrica: 10-30 m/s

- Vapor a alta pressió: 5-10 m/s

A o ti ua i s e pli a à o s ha utilitzat el soft a e i ui ha sigut el p o edi e t pe fe

cada bescanviador tenint en compte tot el ue s ha e io at a te io e t

102

11.4.1. Utilització del software

A o ti ua i s e pli a a els passos seguits pe els àl uls dels bescanviadors.

P i e a e t s ha de de idi pe o passa à el fluid ale t, ja sigui pe a assa o pe tu s. E

els assos o hi hagi a i de fase s es olli à ue passi pe a assa pe u a uesta es pugui

portar de forma opti a. Co s o se a a la figura 11.27. on posa localització del fluid calent és

o s ha de a ia a pa ti de la de isi p esa.

Figura 11.27. Definició del sistema.

103

Un cop definit per on passarà el fluid, es defineix el sistema. Sabent les temperatures

d e t ada i so tida del nostre fluid de procés, el cabal i la pressió, definim un salt de

te pe atu a del fluid t i i a ui a p essi passa à. Ta s hau à d i t odui el fa to

d e uti e t. Tot això ho podem veure a la figura 11.28.

Figura 11.28. Taula de dades del sistema.

104

Desp s d ha e defi it les a a te ísti ues del siste a, e s falta à i t odui els o po e ts

dels dos corrents i la seva composició, tant en el corrent calent com pel corrent fred. Això es

pot observar en la figura 11.29. També haurem de decidir quina base de dades farem servir ja

ue el p og a a e t u es ua tes, e t e elles la ase de dades de Aspe , i ta s hau à

d es olli el odel te odi à i .

Figura 11.29. Menú per escollir els fluids.

105

Un cop escollit els components, la base de dades amb els seu model termodinàmic, es fa click a

get properties i el programa trobarà les propietats de cada corrent, com podem observar a la

figura 11.30.

Figura 11.30. Taula de les propietats de cada component.

106

Fins aquí les imatges presentades són del disseny del sistema. Les següents figures ja són del

disseny geomètric del bescanviador.

A la figura 11.31. hi ha el geometry summary, on es poden observar les diferents opcions que

es poden seleccionar o que ja s ha sele io at du a t el disse pe a o segui el

bescanviador més òptim pel procés.

Figura 11.31. Sumari de la geometria.

107

A la figura 11.32. es pot observar la configuració de la carcassa, els capçals, les brides i les

plaques tubulars, on es de idei els apçals i el tipus de a assa. Ta o s es olli à si esta à

en posició horitzontal o vertical.

Figura 11.32. Disseny de la carcassa.

108

Després de decidir la configuració de la carcassa, els capçals, les brides i les plaques tubulars es

dissenyaran els tubs. Decidint la dimensió del diàmetre exterior del tub, la dimensió del pitch i

la disposició. Això és el que ens mostra la figura 11.33.

Figura 11.33. Disseny dels tubs.

109

A a s ha de sele io a el tipus de afle i totes les seves característiques. A la figura 11.34. es

pot observar aquest apartat del programa per fer els bafles, seleccionar quin tipus de bafles

tindrà el bescanviador, quina orientació, etc.

Figura 11.34. Disseny dels Baffles.

110

Per últim seleccionarem el paquet de disseny. On haurem de decidir el tipus de feix i el tipus

de pas per dins del bescanviador. Això ho podem veure a la figura 11.35.

Figura 11.35. Disseny de la configuració de dins del bescanviador.

111

Per acabar, haurem de seleccionar el tipus de material per cada part del bescanviador, com es

pot observar a la figura 11.36. Es pot sele io a ue tot el es a iado d u atei ate ial

o ue algu a pa t sigui d u ate ial dife e t.

Figura 11.36. Panel de control del material del bescanviador.

112

Pe a a a i t o a el disse pti , desp s d ha e sele io at totes les op io s pe u el

programa pugui completar el disseny amb tots els càlculs. Podrem anar canviant les

configuracions de tot el que em dit anteriorment des de la consola del programa fins a trobar

el millor disseny possible dins de totes directives esmentades anteriorment. A la figura 11.37.

es pot observar la consola.

Figura 11.37. Consola principal del softwere.

A continuació es mostrarà una breu explicació de la funció de cada un dels bescanviadors i les

seves característiques. Per una informació més completa, mirar les fitxes i el disseny gràfic de

cada un Al capítol 2.

11.4.2. Bescanviador B-201

A uest es a iado s usa pe es alfa el o e t de fluo u d hid ogen el qual entrarà al

reactor R-201 de 25 a 95oC. “ utilitza un fluid tèrmic que entra a 150oC i surt a 100oC amb un

cabal de 12088 kg/h.

El es a iado p ese ta u es di e sio s de . et es d a ple i et es de lla g i t

tubs.

113


A uest es a iado s usa pe es alfa el o e t d e t ada de tet a lo u de a o i al ea to

R-201 de 25 a 95oC. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 140oC amb un cabal de

5537 kg/h.

El bescanviador presenta unes dimensions de 0.27 metres d a ple i .7 metres de llarg i té 20

tubs.


A uest es a iado s usa pe ef eda la es la de à id fluo híd i a híd id, à id lo híd i ,

freón-11, freón-12 i tetraclorur de carboni del reactor R-201 de 95 a 25oC. Aquest corrent va

cap a la columna CD- o es p oduei la p i e a sepa a i . “ utilitza u fluid t i ue

entra a 16oC i surt a 36oC amb un cabal de 14253 kg/h.

El es a iado p ese ta u es di e sio s de . et es d a ple i . et es de lla g i t

tubs.

11.4.5. Bescanviador B-204a

A uest es a iado s usa pe es alfa la es la de f e -11, freón-12 i tetraclorur de carboni

de -30 a 23oC. Aquest corrent prové la columna CD-302 on es produeix la segona separació i va

cap al segon bescanviador de calor B- . “ utilitza un fluid tèrmic que entra a 120oC i surt a

115oC amb un cabal de 6876 kg/h.


tubs.

11.4.6. Bescanviador B-204b

A uest es a iado s usa pe es alfa la es la de freón-11, freón-12 i tetraclorur de carboni

de 23 a 75oC. Aquest corrent prové del primer bescanviador B-204a i va cap al tercer

bescanviador de calor B- . “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 120oC amb un

cabal de 6876 kg/h.


tubs.

114

11.4.7. Bescanviador B-204c

A uest es a iado s usa pe es alfa la es la de f e -11, freón-12 i tetraclorur de carboni

de 75 a 128oC. Aquest corrent prové del segon bescanviador B-204a i va cap al segon reactor R-

. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 125oC amb un cabal de 6876 kg/h.

El es a iado p ese ta u es di e sio s de . et es d a ple i .7 metres de llarg i té 44

tubs.


A uest es a iado s usa pe es alfa el fluo u d hid oge ue su t de la olu a CD-302 de

58 a 95oC. Aquest corrent surt de la columna CD-302 i va cap al reactor R- . “ utilitza u fluid

tèrmic que entra a 140oC i surt a 120oC amb un cabal de 5537 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa pe ef eda la es la de f e s i tet a lo u de a o i des de

a 174oC. Aquest corrent prové del reactor R-202 i va cap al bescanviador R- . “ utilitza u

fluid tèrmic que entra a 75oC i surt a 100oC amb un cabal de 4657 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa pe ef eda la es la de f e s i tet a lo u de a o i des de

a 94oC. Aquest corrent prové del B-206a i va cap al bescanviador R- . “ utilitza u fluid

tèrmic que entra a 50oC i surt a 75oC amb un cabal de 4657 kg/h.


tubs.

115


A uest es a iado s usa pe ef eda la es la de f e s i tet a lo u de a o i des de a

20oC. Aquest corrent prové del B-206b i va cap a la CD- . “ utilitza u fluid t i ue e t a

a 15oC i surt a 50oC amb un cabal de 4657 kg/h.

El es a iado p ese ta u es di e sio s de . et es d a ple i . metres de llarg i té 273

tubs.


A uest es a iado s usa pe es alfar el FREÓN-12 de la columna CD-304 cap a B-270b de -30

a 30oC. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 115oC amb un cabal de 2548 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa pe es alfa el F‘EÓN-12 del bescanviador B-207a cap a B-270c de

30 a 90oC. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 120oC amb un cabal de 2548 kg/h.

El bescanviador presenta unes dimensions de 0.27 et es d a ple i . et es de lla g i t

tubs.


A uest es a iado s usa pe es alfa el F‘EÓN-12 del bescanviador B-207b cap a R-202 de

90 a 128oC. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 125oC amb un cabal de 2548

kg/h.


tubs.

116


A uest es a iado s usa pe ef eda el tet a lo u de a o i del o e t de a oC.

Aquest corrent prové la columna CD-304 i va cap al reactor R- . “ utilitza u fluid t i ue

entra a 90oC i surt a 115oC amb un cabal de 400 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa per refrigerar HCl de -31 a -32oC fent de condensador parcial de la

columna CD- . “ utilitza u fluid t i ue e t a a -50oC i surt a -40oC amb un cabal de

34189 kg/h provinent de la zona de serveis.

El bescanviador presenta unes dimensions de 0.46 et es d a ple i . et es de lla g i t

tubs.


A uest es a iado s usa o a kettle e oile de la olu a CD-301 per escalfar la mescla

de 65 a 75oC amb un fluid tèrmic que entra a 150 i surt a 130oC amb un cabal de 19678 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa pe ef ige a F‘EÓN-12 de -0.34 a -0.87oC fent de condensador

parcial de la columna CD- . “ utilitza u fluid tèrmic que entra a -50oC i surt a -40oC amb un

cabal de 31506 kg/h provinent de la zona de serveis.


tubs.

117


A uest es a iado s usa o a kettle reboiler de la columna CD-302 per escalfar la mescla



tubs.


A uest es a iado s usa pe ef ige a FREÓ-13 DE -24 a -25oC fent de condensador total de

la columna CD- . “ utilitza un fluid tèrmic que entra a -50oC i surt a -40oC amb un cabal de

25266 kg/h provinent de la zona de serveis.

El bescanviador p ese ta u es di e sio s de . et es d a ple i . metres de llarg i té 97

tubs.





tubs.


A uest es a iado s usa pe ef ige a el o e t ue su t de la olu a CD-303 de 78 a

35oC. “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i surt a 36oC amb un cabal de 14253 kg/h.


tubs.


A uest es a iado s usa pe ef ige a F‘EÓN-12 de -0.47 a -0.82oC fent de condensador

parcial de la columna CD- . “ utilitza u fluid t i ue e t a a -50oC i surt a -40oC amb un

cabal de 4954 kg/h provinent de la zona de serveis.

118

El bescanviador presenta unes dimensions de 0.27 et es d a ple i .1 metres de llarg i té 26

tubs.




El bescanviador prese ta u es di e sio s de . et es d a ple i . et es de lla g i t

tubs.


Aquest bescanviado s usa pe ef eda el F‘EÓ-13 de -82 a -90oC per el seu emmagatzematge

iog i . “ usa u fluid t i ue e t a a -100 i surt a -90oC amb un cabal de 4449 kg/h.

Les di e sio s ue p ese ta s de . et es de lla g, . et es d a ple i o sta de

tubs.


A uest es a iado s usa pe ef eda la es la de aigua a ai e a oC. Aquest corrent

p o la olu a d absorció CA- i a ap a la atei a olu a pe eap ofita l aigua o es

p oduei la o e t a i al % de l à id lo híd i . “ utilitza u fluid t i ue e t a a oC i

surt a 40oC amb un cabal de 10852 kg/h.

El bescanviador presenta unes dimensions de . et es d a ple i . et es de lla g i t

tubs.


A uest es a iado s usa pe ef eda l à id lo híd i ue su t de la olu a d a so i CA-

301 de 88 a 25oC. “ utilitza un fluid tèrmic que entra a -50oC i surt a -40oC amb un cabal de

221291 kg/h.


tubs.

119

11.5. Disse y d’e uips de se vei 11.5.1. Torre de refrigeració

La planta CADMA chemicals consta de cinc torres de refrigeració diferents pe u s ha

o ti gut dife e ts te pe atu es d e t ada de Do the J e els dife e ts es a iado s de

calor i un dels reactors. Un altre motiu és la relació salt tèrmic/eficiència de la torre, ja que no

s ha ealitzat salts assa ele ats pe fe u a sola torre comportava fer-lo, per això es

requereixen cinc torres. Un dels cassos el salt tèrmic si que era una mica elevat per realitzar-lo

en una sola torre i que fos a la vegada eficient, en aquest cas es va adoptar per fer dues torres

en sèrie (TR-701 i TR-702).

Les següe ts to es de ef ige a i t a ta a l oli t i dels següe ts e uips:

TR-701 i TR-702: B-206 a i b

TR-703: R-202

TR-704: B-208

TR-705: B-401

11.5.2. Disseny de la torre de refrigeració

Per explicar el mètode càlcul per escollir la to e de ef ige a i o e ta, es posa à l e e ple

de la torre TR-704.

Taula 11.33. Requeriments del bescanviador B-208.

Equip Temp entrada Dowtherm J (oC) T sortida Dowtherm J (oC) Cabal (Kg/s)

B-208 90 115 0.11

La potència frigorífica requerida vindrà donada pel calor necessari que cal bescanviar per

ef eda l oli t i des de la te pe atu a d e t ada de la to e fi s a la te pe atu a d i te s

que és 90oC, la calor es calcula amb les següents equacions:

Q = m · C�̅̅̅̅ · T − T . On:

- Q : alo e essa i ue al es a ia pe ef eda l oli t i KJ/s . - moli total : a al àssi total d oli t i Kg/s . - C�̅̅̅̅ : alo espe ífi itja de l oli t i KJ/ Kg oC). - T entrada : te pe atu a d e t ada de l oli t i a la to e de efrigeració (oC). - T sortida : te pe atu a de so tida de l oli t i a la to e de ef ige a i oC).

120

A la te pe atu a d e t ada de l oli i la te pe atu a de so tida ue està fi ada pe e uisits

del procés (90oC), podem determinar el calor específic mitja a partir de les dades de la fulla de

p opietats de l oli t i Do the J.

Taula . . Dete i a i del alo espe ífi itja de l’oli tè i Dowthe J.

Te peratura d’e trada oC) 115

Temperatura de sortida (oC) 90

Cp a 90oC KJ/(kgoC) 2.06

Cp a 115oC (KJ/(kgoC) 2.15

Cp mitja (KJ/(kgoC) 2.11

U op o ti guts tots els pa à et es s apli a de l e ua i 182 per obtenir el calor que cal

es a ia pe ef eda l oli t i i pode dete i a la pot ia f igo ífi a. Apli a t l e ua i

13.1.1.1 s o t ue s igual a : Q = . KJ/s.

Per poder calcular la potència frigorífica de la torre de refrigeració es sobredimensiona el calor

a es a ia u %, tal o es ost a e l e ua i 183.

P = , · Q . On:

- P : potència frigorífica (KJ/s). - Q : alo e essa i ue al es a ia pe ef eda l oli t i KJ/s .

Apli a t l e ua i . . . s o t ue la pot ia f igo ífi a s de : P = . KJ/s.

La torre escollida per a realitzar el bescanvi de calor és de la casa EKW amb una potència

frigorífica de 26 kW

La pot ia de t e all de la to e espe te a la à i a pot ia ue pot ofe i l e uip es

al ula utilitza t l e ua i 184.

W % = P�tència �rig�r��ica d′��raci�P�tència �rig�r��ica mà�ima · .

Apli a t l e ua i . . . s ha o ti gut ue la pot ia de t e all de la to e espe te a la màxima serà de: Wtorre = 26 %.

Els rendiments de les altres torres es mostren a continuació a la taula 11.35.

121

Taula 11.35. Rendiments de les altres quatre torres.

Ítem Rendiment (%)

TR-701 29.5

TR-702 29.5

TR-703 26.6

TR-704 25.7

11.5.3. Grups de fred (chillers)

Per als bescanviador B-206, B-203, B-307, B-402, B-310 i els condensadors B-301, B-303, B-305

i B-308 es requereixen grups de fred per baixar a temperatures més baixes dels 20oC. Pels

bescanviadors B-206c, B-203 i B- s ha de ef eda l oli t i . En tots els altres es requereix

R-1270. Es requereix el R-1270 a -50 i -100oC.

Els següents chillers tractaran el R-1270 dels següents equips :

CH-705: B-301, B-303, B-305, B-308 I B-402

CH-704: B-310

Els següents chillers t a ta a l oli t i dels següe ts e uips :

CH-701: B-206c

CH-702 i CH-703: B-203 i B-307

11.5.4. Disseny del grup de fred CH-704

Aquest circuit de fred consta de un chiller on la temperatura que entra és de -90oC i s ha de

refredar fins a -100oC. Només hi ha un bescanviador en aquest circuit, el B-310 el qual té els

següents requeriments:

Taula 11.36. Requeriments del bescanviador B-310.

Equip T entrada R-1270 (oC) T sortida R-1270 Cabal (Kg/s)

B-310 -100 -90 1.24

La potència frigorífica requerida vindrà donada pel calor necessari que cal bescanviar per

refredar el R- de tots els e uips des de la te pe atu a d e t ada al hille fi s a la

te pe atu a d i te s ue s -100oC, la calor es calcula amb les següents equacions:

Q = m · C�̅̅̅̅ · T − T . On:

- Q : calor necessari que cal bescanviar per refredar(KJ/s). - mtotal : cabal màssic total (Kg/s). - C�̅̅̅̅ : calor específic mitja (KJ/ Kg · oC).

122

- T entrada : te pe atu a d e t ada e el hille oC). - T sortida : temperatura de sortida en el chiller (oC).

m = ∑ m .

On: - mtotal : cabal màssic total (Kg/s). - mEquips : cabal màssic (Kg/s) de tots els equips en el circuit.

En aquest cas el cabal és de 1.24 kg/s que necessita el B-310. Un cop tenim les temperatures

d e t ada i so tida del hille s i a totes les dades ue e essite pe fe se i l e ua i

13.2.1.1, ja es pot calcular el calor necessari que cal bescanviar per refredar cada corrent. En el

cas de B-310, té una Q de 25 KJ/s.

Per poder calcular la potència frigorífi a de l e uip de f ed es sobre dimensiona el calor a

bescanviar un 25 %, tal o es ost a e l e ua i 187.

P = , · Q . On:

- P : potència frigorífica de cada un dels chillers utilitzats (KJ/s). - Q : calor bescanviat per refredar en cada un dels chillers (KJ/s).

Apli a t l e ua i 187 s o t ue la pot ia f igo ífi a del CH-704, que és de 32 kW.

El chiller escollit per realitzar el bescanvi de calor és de la casa LAUDA amb una potència

frigorífica de 60 kW.

La potència de treball de cada un dels chillers utilitzats respecte a la màxima potència que pot

ofe i l e uip es al ula utilitza t l e ua i 188.

W % = P�tència �rig�r��ica d′��raci�P�tència �rig�r��ica mà�ima · .

Aplicant l e ua i . . . s ha o ti gut ue la pot ia de t e all del hille s de . %.

Els rendiments dels altres chillers es mostren a continuació a la taula 11.38.

Taula 11.38. Rendiments dels altres chillers.

Ítem Rendiment (%)

CH-701 48.6

CH-702 37.94

CH-703 37.94

CH-705 88

123

11.5.5. Caldera

Els e ue i e ts de alo de la pla ta es satisfa a alde es d oli t i alde es PI‘OBLOC.

Al te i t es te pe atu es d e t ada d oli als dife e ts e uips ald à o a í i ti d e t es

calderes, una amb la que s o ti d à l oli t i a , i oC.

11.5.6. Disseny de la caldera CO-701

A o ti ua i es p ese te els e uips a e ue i e ts d oli t i a oC, tos els B-204 i B-

207, ja que són bescanviadors en sèrie.

Taula 11.39. Equips amb requeriment de Dowtherm J escalfat amb gas natural.

Equip Temperatura entrada Temperatura sortida Cabal (Kg/s)

B-204c 130 125 1.91

B-204b 125 120 1.91

B-204a 120 115 1.91

B-207c 130 125 0.71

B-207b 125 120 0.71

B-207a 120 115 0.71

La potència tèrmica necessària de la caldera per obtindré oli tèrmic a 130oC vindrà donada per

el alo e essa i ue al es a ia pe es alfa l oli de tots els e uips des de la te pe atu a

d e t ada a la alde a fi s a oC. Per poder trobar el calor necessari que cal bescanviar per

es alfa l oli t i es fa se i l e ua i 189.

Q = m · C�̅̅̅̅ · T − T . On:

- Q : alo e essa i ue al es a ia pe es alfa l oli t i KJ/s . - moli total : a al àssi total d oli t i Kg/s . - C�̅̅̅̅ : alo espe ífi itja de l oli t i KJ/ Kg · oC). - T entrada : te pe atu a d e t ada de l oli t i a la alde a oC). - T sortida : te pe atu a de so tida de l oli t i a la alde a oC).

m = ∑ m .

On: - moli : cabal màssic total d oli t i Kg/s . - Mequips: cabal màssic de tots els equips del circuit (Kg/s)

Apli a t l e ua i . . . s o t u a al àssi total d e t ada e la alde a de: moli total =

2.62 Kg/s.

124

T = ∑ m · T′m .

On: - moli total : a al àssi total d oli t i Kg/s . - moli : a al àssi d oli t i Kg/s de ada u dels e uips. - T entrada : te pe atu a d e t ada de l oli t i de ada u dels e uips oC).

- T entrada : te pe atu a d e t ada de l oli t i a la caldera (oC).

A tots els alo s de a al i te pe atu a d e t ada i so tida de la alde a, apli a t la fo ula

13.3.1.1 ens dona un calor bescanviat de: Q=84.66 kJ/s.

Per poder calcular la potència tèrmica de la caldera se sobredimensiona el calor a bescanviar

un 25 %, tal com es ost a e l e ua i 92.

P = , · Q . On:

- P : potència tèrmica (KJ/s). - Q : alo e essa i ue al es a ia pe ef eda l oli t i KJ/s .

La potència resultant és de 105.82 kW. La caldera escollida per a realitzar el bescanvi de calor

és de la casa PIROBLOC amb una potència tèrmica és de 1395 kW.

La potència de treball de cada caldera utilitzada respecte a la màxima potència que pot oferir

l e uip es al ula utilitza t l e ua i 193.

W % = P�tència tèrmica d′��raci�P�tència tèrmica mà�ima · .

Apli a t l e ua i s ha o ti gut ue la pot ia de t e all de la caldera és de un 12%.

Els rendiments dels altres chillers es mostren a continuació a la taula 11.40.

Taula 11.40. Rendiments de les altres calderes.

Ítem Rendiment (%)

CO-702 68.1

CO-703 38.8

125

11.6. Columnes de separació

11.6.1. Columnes de destil·lació

La destil·la i s u ope a i àsi a de sepa a i ue s utilitza pe sepa a es les de lí uids

miscibles o per sepa a el dissol e t de soluts o olàtils, s a di , s e p a pe pu ifi a i

separar substàncies.

Aquesta tècnica es basa en escalfar la mescla fins la seva ebullició recollint així de forma

líquida els vapors, refrigerants i condensats generats. Segons les o di io s d ope a i de la

columna la destil·lació es pot classificar en diferents tipus: destil·lació simple, destil·lació al

buit, destil·lació fraccionada, destil·lació per arrossegament de vapor, etc.

La destil·la i si ple s u a ope a i d u a sola etapa de vaporització- o de sa i . “ e p a

u at às de destil·la i e el ual s es alfa la es la i à ia fi s el pu t d e ulli i i u

ef ige a t e el ue es o de se els apo s. A uest tipus d ope a i es a a te itza do at

que el vapor generat i el líquid en ebullició estan en equilibri. Els vapors que es desprenen

s eli i e o tí ua e t, es o de se i es e ol·le te , ai í do s la p i e a po i del

destil·lat seria la més rica en el component més volàtil i la primera porció del residu la més rica

e el o po e t e s olàtil. “i es epetei a uesta ope a i dife e ts ops s o ti d ie u

destil·lat i un residu que pràcticament correspondrien als components purs.

Aquesta sèrie de destil·lacions simples parcials es poden realitzar utilitzant una columna de

rectificació la qual permet un major contacte entre els vapors que ascendeixen amb el líquid

ue des e dei degut a la utilitza i de dife e ts plats. A uest fet fa ilita l i te a i de alo

entre els vapor, el quals cedeixen calor, i els líquids que en reben. Així doncs, al llarg de la

columna tenen lloc una sèrie de vaporitzacions i condensacions (equilibri líquid-vapor) donant

lloc a que conforme es descendeix en la columna, el residu cada cop és més rics en un dels

components, al atei te ps ue el esidu s e i uei de l alt e o po e t. “i es disposa

d u a olu a sufi ie t e t lla ga el p odu tes o ti guts pe ap i pe ues destil·lat i esidu

poden ser pràcticament purs.

Les columnes de destil·lació poden ser de dos tipus, de rebliment o de plats. Per poder decidir

el tipus de columna es tindran en compte diferents aspectes els quals es mostren a la següent

taula:

126

Taula 11.41. Comparació entre columna de rebliment i columna de plats.

COLUMNA DE REBLIMENT COLUMNA DE PLATS

Difícil neteja Fàcil neteja

Columnes amb poca altura i diàmetre inferior a 1 metre

Columnes amb major altura i volum

Mayor superfície de contacte G-L, per tant major eficiència

Menor àrea superficial, per tant menor eficiència

Caiguda de pressió del gas menor per unitat d altu a

Major caiguda de pressió

El líquid es queda retingut menys temps Opera sobre amples zones de càrrega de vapor i líquid per unitat de secció de la torre

Es treballa amb valors alts de la relació G-L La relació G-L és menor

“ utilitza e ope a io s fo ta e t o osi es No recomanable per operacions corrosives ni per operacions amb tendència a la formació

d es u es

Operen amb menor bombolleig de gas en el líquid

Operen amb major bombolleig de gas en el líquid

Els costos inicials són majors Els costos inicials són menors

En la planta de producció del refrigerant FREÓN- s ha e ue it uat e olu es de

destil·la i . Do ades les o di io s d ope a i de les olu es disse ades i te i t e o pte

que alguns dels components a els uals es t e alla s alta e t o osius, s ha de idit ue

totes les columnes seran de rebliment:

Columna de destil·lació HCl

Aquesta olu a s ha disse at a l o je tiu de sepa a l HCl de la esta de p odu tes

formats al primer reactor de la planta tals com FREÓN-12, FREÓN-11 i del HF no reaccionat

do at ue s el ea tiu e e s. Pe aps s o t el HCl, el ual desp s d u post-tractament

es ficarà en venta al mercat, i per cues la resta de components.

Columna de destil·lació del FREÓN-12

L o je tiu d a uesta olu a s sepa a el F‘EÓN- de l à id fluo híd i i del F‘EÓN-11 per

tal d i t odui -lo al sego ea to pu ifi at o es a eja à a el t i lo u d alu i i do a t

lloc al FREÓN- , el ual s el p odu te fi al d i te s.

127

Columna de destil·lació del FREÓN-13

Es t a ta d u a olu a de e li e t e la ue el p odu te destil·lat s u o e t de F‘EÓN-

a u ai o ti gut d i pu eses i el o e t esidual o t F‘EÓN 12 i tetraclorur de

carboni.

Columna de destil·lació binària de CCl4 i FREÓN-12

L o je tiu d a uesta olu a es sepa a el tet a lo u de a o i del F‘EÓN-12 per tal de

recircular ambdós components al primer i al segon reactor respectivament. Aquesta

recirculació permet obtenir una major viabilitat tan econòmica con mediambiental.

Selecció del tipus de rebliment

Les olu es de e li e t s dispositius ue s utilitze e ope a io s de t a sfe ia de

massa en la que es posen en contacte continu dues fases. El seu disseny depèn de diversos

factors com les operacions hidràuliques de la torre, les característiques del rebliment, la

ela i de eflu , les o di io s d ope a i , les a a te ísti ues fisi o uí i ues dels

components a separar, etc.

La funció principal del rebliment és exposar una gran àrea superficial per afavorir el contacte

entre les fases i així aconseguir dinamitzar els fluxos de transferència entre les mateixes. A més

s ha de p o u a ue la aiguda de p essi de la olu a sigui lo s ai a possi le. Els

requisits que un rebliment ha de complir perquè sigui eficient han de ser els següents:

- Proporcionar una gran àrea superficial perquè existeixi un bon contacte entre fases i

tingui lloc la transferència de massa.

- La geometria ha de ser tal que promogui la distribució uniforme de les fases.

- Ha de se uí i a e t i e t als fluids de la to e ue s està utilitza t. - Permetre el pas de grans coloms de fluid a través de petites seccions transversals de la

torre, sense inundació.

- Ser mecànica i estructuralment fort, però sense tenir un pes excessiu que pugui

dificultar la seva manipulació i instal·lació.

- Ha de se esiste t al t e a e t i ta a les te pe atu es i p essio s d ope a i . - Permetre la distribució uniforme del líquid sobre la seva superfície.

- Ser econòmic.

Per escollir la mida del reblime t s utilitza à la taula següe t ue ela io a el dià et e de la

columna amb les dimensions del rebliment.

128

Taula 11.42. Relació del diàmetre de la columna amb les dimensions del rebliment.

DIÀMETRE DE LA COLUMNA MIDA DEL REBLIMENT

<0.3 <1

0.3-0.9 1-1.5

>0.9 >3

A l ho a de fe u a o a ele i del e li e t ta s ha de te i e o pte el ate ial del

qual està fet segons quina sigui la seva aplicació. En la taula següent es mostren els diferents

tipus de rebliments existents en funció del material.

Taula 11.43. Tipus de rebliments existents en funció del material.

MATERIAL APLICACIONS

Metall pH alcalins i T elevades per l a e

Ceràmiques Condicions àcides i neutres, excepte quan es treball amb

solvents

Plàstic pH alcalins, sals, aquosos i àcids depenent de les resines

A més a més, existeixen dos tipus de rebliments diferents el quals es comparen a la taula que

es mostra a continuació:

Taula 11.44. Comparació entre els rebliments aleatoris i els empacats.

REBLIMENTS ALEATORIS REBBLIMENTS EMPACATS

El e li e t s i t oduei a la to e dei a t-lo caure de forma aleatòria

El rebliment està disposat de forma ordenada (es fabriquen de forma modular)

Són econòmics donat que són de materials metàl·lics, ceràmics o plàstics

La instal·lació es més cara, per unitat de volum

Ofereixen superfícies específiques majors i per tant major caiguda de pressió

Proporcionen una gran àrea superficial entre L i G en contacte

Fàcils de transportar i emmagatzemar Major àrea superficial que els rebliments aleatoris

Menor caiguda de pressió per al gas i major flux

Major capacitat i eficiència

Difi ultat a l ho a de t a spo ta -los per tal de no fer malbé la seva forma

129

Figura 11.38. Tipus de rebliments aleatoris.

Figura 11.39. Rebliments regulars de diferents materials.

Així doncs per tal de dissenyar les diferents columnes de destil·lació amb el rebliment més

ade uat pe a ada as s hau a de te i e o pte tots els aspectes esmentats prèviament

pe tal de ue l efi i ia d a uest sigui à i a. Pe alt e a da s hau à de fe u a o e ta

ele i d alt es ele e ts ue fo e pa t de la olu a de destil·la i tals o el dist i uïdo

i redistribuidor de líquid, el supo t del e li e t, l i je to del o e t d ali e t, et .

130

Figu a . . Exe ple d’u a olu a de e li e t a dife e ts ele e ts i te s, el supo t del e li e t i el muntatge redistribuidor.

11.6.1.1. Disseny de la columna CD-301

Pe tal de disse a les olu es de destil·la i s ha utilitzat el si ulado Aspe HY“Y“ .

donat que ens proporciona els paràmetres de disseny bàsics per tal de poder dissenyar

mecànicament la columna i ens aporta informació de les composicions dels corrents de sortida

de l e uip si ulat.

Pe pode o te i u a ap o i a i dels pa à et es de disse s utilitza el tode “ho ut.

Pe fe se i a uest tode al si ulado s i t oduei e la te pe atu a i les o posi io s del

131

o e t d e t ada, el a al, la p essi d ope a i i la ela i de eflu . Els alo s o ti guts pe a

la columna CD-301 es mostren a la taula següent:

Taula 11.45. Valors obtinguts de la columna CD-301

PARÀMETRE VALOR

No e í i d etapes d e uili i 11.20

No e a tual d etapes d e uili i 22.83

Plat pti d ali e ta i 6.98

Relació de reflux mínima 0.44

Mitja ça t els alo s ap o i ats dels pa à et es de disse o ti guts s ha utilitzat el tode

Rigorós per obtenir el disseny definitiu de la columna. A les taules següents es mostren el

resultats obtinguts:

Taula 11.46. Disseny definitiu de la columna.

ALIMENT DESTIL·LAT RESIDU

Cabal molar (Kmol/h)

90.00 40.00 50.00

Temperatura (ºC) 25.00 -31.61 74.46

Pressió (atm) 10.00 10.00 10.00

Densitat (Kg/m3) 77.08 20.63 1264

Entalpia (KJ/Kg) -3468.00 -2596.00 -3675.00

Cabal de calor (KJ/h) -2.36·107 -3.79·106 -1.97·107 Taula . . Co posi io s d’e t ada i so tida de la olu a.

HF HCl FREÓN-11 FREÓN-12

Aliment 0.11 0.44 0.22 0.22

Destil·lat 0.00 1.00 0.00 0.00

Residu 0.20 0.00 0.40 0.40

U op s ha si ulat la olu a a les o posi io s dels o e ts de so tida desitjades s ha

utilitzat la opció Tray Sizing del simulador la qual ens proporciona els paràmetres físics de

disseny tals com el diàmetre de la columna o l altu a u op sele io at el tipus de e li e t .

Per fer els càlculs el programa utilitza la correlació SLEv73. Els resultats obtinguts es mostren a

continuació:

132

Taula 11.48. Paràmetres físics de disseny de la columna.

PARÀMETRE VALOR



% Mà i d i u da i 73.20

Nº etapes eq. teòriques 23.00

HETP (m) 0.46

El esultat p opo io at pel si ulado H s s de l HETP s ha o p o at itja ça t la següe t

equació:

= ç ′ �

11.6.1.1.1 Disseny intern

El disse i te d u a olu a de destil·la i s olt i po ta t do at ue s ha de ga a ti u

o fu io a e t d a uesta. La olu a CD- s ha disse at o u a olu a de

e li e t do at ue es t e alla sota ope a io s d ope a i fo ta e t o osi es i s s

eficient que la columna de plats ja que proporciona una major superfície de contacte G-L.

La columna CD-301 funcionarà amb un rebliment aleatori anomenat Anells Pall de plàstic

do at ue tot i ue l à id fluo híd i i l à id lo híd i s a híd ids pe ao s de segu etat s ha

de idit e p a el e li e t de plàsti pe e ita ue a uest es o oei i. “ ha utilitzat o a

plàstic el Teflo do at ue l à id fluo híd i s u o osiu olt pote t i a uest ate ial s

esiste t a la o osi d a uest à id.

A partir de la informació que proporciona la Taula 2 i un cop conegut el diàmetre de la

olu a s ha dete i at utilitza A ells Pall de Teflo do at ue sota les o di io s de

t e all de la olu a a uest p opo io a u a aiguda de p essi e o i s assolei u o

pe e tatge d i u da i à i a de la olu a, pe ta t, es pot ga a ti el o fu io a e t

de la columna CD-301.

133

Figura 11.41. Pall Ring de plàstic.

Distribuïdor de líquid

Com el rebliment de la columna no proporciona una bona distribució del líquid al llarg de la

olu a s ha e p at u dist i uïdo pe tal de ga a ti ue o es formin camins preferents en

el flu del lí uid e t e el e li e t i pe ta t a o segui u a dist i u i pti a d a uest. Ai í

do s s ha dete i at ue e a uest as s utilitza à el dist i uïdo VKR de l e p esa “ulze de

plàstic (PVDF) donada la gran co osi ue p o o a l HF ua es t o a dissolt.

Figu a . . Dist i uido de lí uid VKR e l’e p esa Sulxe

Figu a . Dist i uïdo de lí uid VK‘ de l e p esa “ulzer

Redistribuïdor de líquid

La columna CD-301 t u a altu a supe io a et es, pe ta t, s ha de idit utilitza u

redïstribuïdor de líquid per tal de garantir una distribució uniforme del flux de líquid així com

suportar el pes de la columna empacada que té per sobre. E a uest as s ha dete i at

utilitza el V“TG de g afit de l e p esa “ulze el ual s utilitza pe a ie ts alta e t o osius.

Aquest equip utilitza tubs amb sortides laterals per distribuir el líquid sobre el rebliment i

s utilitza o a col·lector i redistribuïdor de líquid entre les seccions empacades.

134

Gigura 11.43. Redistribuidor i col·ector de líquid VDST

Suport del rebliment

El supo t del e li e t a s de supo ta el pes d a uest ha de tenir el disseny adequat per

tal de permetre un flux relativament no restringit del líquid i el gas. La reixa de suport per

e li e ts aleato is EM“ de l e p esa “ulze el lí uid des e dei a t a s de les o e tu es ap

al fons, i el vapor ascendeix a trav s de la se i supe io . “ ha de idit utilitzat a uest tipus de

suport donat que és el més adequat quan es treballa amb rebliments aleatoris i degut a que el

diàmetre de la columna CD- s olt petit. Pe otius de segu etat s ha e obert el suport

amb 1 mm de Tefló do at ue es e essita la igidesa ue apo ta l a e pe tal de supo ta tot

el pes del rebliment i la resistència a la corrosió que presenta aquest plàstic.

Figu a . . Supo t del e li e t EMS de l’e p esa Sulzer

E trada del orre t d’ali e t

L e t ada del o e t d ali e t o o t lí uid i gas s ha de idit utilitza u i je to de tipus

L‘P de l e p esa “ulze . L i je to esta à e o e t d u a apa de Teflo de de g ui pe

motius de seguretat.

135

Figu a . . I je to de lí uid LRP de l’e p esa Sulze

11.6.1.1.2. Disseny mecànic

Per la construcció de la columna CD- s ha e p at l a e AI“I L do at ue p opo io a

una gran resistència a la corrosi ue p o o ue dife e ts o postos a sepa a . A s l e uip

s ha e o e t a u a apa de de Teflo C1 pe otius de segu etat do at ue l HF s

un corrosiu molt potent i aquest presenta una elevada residència a la corrosió.

Per tal de determi a el g ui de la pa et de la olu a s ha e p at el odi A“ME. L e ua i

utilitzada per al cos cilíndric és la següent:

= ·− . + .

Pe al ula la p essi i te pe atu a de disse ta s ha e p at el odi A“ME i s ha e p at

les equacions següents:

ℎ� à � = · ℎ � � · % ′ � · � � · · .

� = + ℎ� à � + . .

� = + º .

On:

- t: Gruix mínim requerit del cos cilíndric (mm)

- P: Pressió de disseny (bar)

- Phidràulica: Pressió hidràulica del fluid (bar)

- Ptreball: Pressió de treball (bar)

- Tdisseny: Temperatura de disseny (bar)

- Ttreball: Temperatura de treball (bar)

- R: Radi interior de la columna (mm)

- S: Valor del esforç màxim permissible del material a la temp. de disseny (bar)

- E: Coeficient de soldadura

- C1: Tolerància a la corrosió (mm)

- g: Gravetat (m/s2)

- fluid: Densitat del fluid (Kg/m3)

- hcilindre: Altura del cilindre (m)

136

El gruix del fons i del capçal toriesfèric és calcula a partir de les equacions del codi ASME en

fu i de la p essi i te a ua L/ ≥ 2/3

= . · ·− . + .

Ta s ha al ulat el g ui del fo s i del apçal to i sfe i e fu i de la pressió externa a

partir de la següent equació:

= . · . · ·− . · . .

On:

- t: Gruix mínim requerit del fons i del capçal (mm)

- P: Pressió de disseny (bar)

- R: Radi interior de la columna (mm)

- S: Valor del esforç màxim permissible del material a la temp. de disseny (bar)

- E: Coeficient de soldadura

- C1: Tolerància a la corrosió (mm)

- L: Diàmetre intern de la columna (mm)

Taula 11.49. Dades emprades

PARÀMETRE VALOR

líquid (Kg/m3) 1224.96

Phidràulica (bar) 0.93

Pdisseny 13.09

Tdisseny 94.43

S (bar) 1082.48

E 0.85

L (mm) 457.20

R (mm) 228.60

L/r 10.00

Pext (bar) 1.01

E (Quan Pext) 1.00

C1 (mm) 2.00

Taula 1. Resultats obtinguts

PARÀMETRE VALOR CALCULAT VALOR ESTÀNDARD

tcos cilíndric (mm) 5.28 6

tcapçal i fons, amb Pint (mm) 7.77 8

tcapçal i fons, amb Pext (mm) 0.63 1

137

Un cop calculats els valors dels gruixos necessaris per tal de dissenyar la columna

e à i a e t, s ha a odo it als alo s està da ds do at ue s olt s e o i

comprar aquest tipus de xapes i no pas que el fabricant les dissenyi a mida.

A la taula a te io ta es pot o se a ue el g ui del apçal i fo s s ha al ulat a pa ti de

la pressió externa i interna. Com el valor més gran correspon a la pressió interna ja que es

t e alla a u a p essi ele ada s ha de idit ue el g ui del apçal i del fo s se à el

corresponent al calculat mitjançant aquesta.

11.6.1.1.3. Alçada

Pe ealitza el àl ul de l alçada de la olu a te i t e o pte l alçada del apçal, s ha

utilitzat les equacions que es mostren a continuació les quals segueixen la figura 11.46.

Figura 11.46. Capçal toriesferic.

= . = . · . ℎ ≥ . · . ℎ = . · − , · . ℎ = ℎ + ℎ .

Un op al ulada l alçada del apçal i fe io i del apçal supe io , i do at ue es o ei l alçada

del ili d e, s ha al ulat l alçada total de la olu a CD-301. Com es pot comprovar a

l e ua i següe t, s ha so edi e sio at . et es do at ue s ha de tenir en compte que

s ha de dei a espai pe als e uips i te s, pe als o du tes pe o s i t oduei e els o e ts

i pe pode ealitza u o e te a te i e t i eteja de l e uip.

− = ℎ · + ℎ � � + . .

A la taula següent es mostren els resultats obtinguts en aquest apartat:

138

Taula 2.51. Resultats obtinguts

PARÀMETRE VALOR

Da (mm) 457.20

r (mm) 45.72

h1 (mm) 28.00

h2 (mm) 84.83

h3 (mm) 112.83

Altura total CD-301 (m) 13.25

11.6.1.1.4. Pes

Pe al ula el pes de la olu a s ha de te i e o pte el pes de la olu a uida ue

correspon al pes de cadascun del elements que composen la columna (capçal inferior i

superior, rebliment, cilindre) i el pes del líquid en operació.

Per calcular el pes de la olu a uida s ha e p at les e ua io s ue es ost e a

continuació:

= À · · .

� � : · · ℎ � � .

� è � : . · . : + ç + . : · · ℎ � � · � � · � + · ( . · · � )+ � · − % · � .

� = · � · ℎ � � .

Pe al ula el pes del lí uid e ope a i s ha e p at les e ua io s següe ts: = · ( . · ℎ · � ) + · � · ℎ � � .

� = · � � .

On:

- Dc=Di : Diàmetre interior de la columna (m)

- fluid: Densitat del fluid (Kg/m3)

- hcilindre: Altura del cilindre (m)

- material: De sitat del ate ial a el ue s ha o st uït la columna (Kg/m3)

- rebliment: Densitat del material del rebliment (Kg/m3)

- tcilíndre: Gruix mínim requerit del cos toriesfèric (m)

139

- tfons : Gruix mínim requerit del fons i del capçal (m)

- %buit: Percentatge de buit del rebliment emprat

- Vrebliment: Volum que ocupa el rebliment (m3)

- Vcolumna: Volum total que ocupa la columna (m3)

Per tant, el pes total de la columna CD- segui à l e ua i següe t:

= � +

A les taules següents es mostren les dades bibliogràfiques emprades així com els resultats

obtinguts:

Taula 11.52. Diferents densitats dins de la columna.

PARÀMETRE VALOR

fluid (kg/m3) 1224.96

material (kg/m3) 7960.00

rebliment (kg/m3) 2200.00

%buit 94.00

Taula 11.53. Característiques de la columna.

PARÀMETRE VALOR

Vrebliment (m3) 0.10

Vcolumna (m3) 1.75

Pes columna buida (Kg) 1056.88

Pes líquid (Kg) 1072.64

Pes total (Kg) 2129.51

11.6.1.1.5. Disseny del faldó

Pe tal de supo ta el pes d u e ipie t e ti al tal o u a columna de destil·lació, el suport

s utilitzat e la i dúst ia s l a o e at fald . A uest s u ei a la olu a pe la pa t

i fe io itja ça t u a soldadu a, i ge e al e t, la ida d a uesta soldadu a dete i at el

gruix requerit de la faldó.

“ ha dete i at ue l altu a de la fald se à d u et e i d a e al a o i. La olu a

o sta à d u a es ala la ual ti d à u a altu a igual ue l altu a de la olu a i la se a

amplada serà de 0.5 m.

140

11.6.1.1.6. Aïllament tèrmic

L aïlla e t t i de la olu a és molt important ja que redueix el cost energètic, manté

l e uip sota o di io s pti es de t e all i pot e ita da s físi s als t e allado s de la pla ta.

Pe tal de al ula el g ui de l aïlla e t de la olu a s ha utilitzat el p og a a I sula de

l empresa Calorcol tenint en compte que el material emprat és la llana de roca mineral de 80

kg/m3. A s, s ha de idit utilitza a e i o ida le ta t pe la supe fí ie e te io o pe la

supe fí ie ua de l e uip.

A la taula següent es mostren les dades d ope a i i t oduïdes al p og a a ai í o el alo s

p opo io ats pe a uest o espo e ts a les a a te ísti ues de l aïlla e t.

Taula . . Pa à et es d’ope a i .

PARÀMETRE VALOR

Temperatura ambient 20

Te pe atu a desitjada d aïlla e t 35

Velo itat supe fi ial de l ai e /s 0

Temperatura de la superfície aïllada 74,43

G ui de l aïlla e t polz. 0,5

Efi à ia de l aïlla e t 71,45%

11.6.2. Disseny de la columna CD-302

Pe tal de disse a les olu es de destil·la i s ha utilitzat el simulador Aspen HYSYS 8.3



de l e uip si ulat.

Per poder obtenir u a ap o i a i dels pa à et es de disse s utilitza el tode “ho ut.


o e t d e t ada, el a al, la p essi d ope a i i la ela i de eflu . Els alo s o tinguts per a


Taula 11.55. Aproximació dels paràmetres de disseny.

PARÀMETRE VALOR





141




Taula . . Bala ços d’entrada i sortida de la columna.


Cabal molar (Kmol/h) 50.00 20.00 30.00

Temperatura (ºC) 30.47 -0.47 56.95

Pressió (atm) 3.00 3.00 3.00

Densitat (Kg/m3) 50.71 17.51 1409.00

Entalpia (KJ/Kg) -3675 -4124 -3262

Cabal de calor (KJ/h) -1.87·107 -9.97·106 -9.61·106

Taula 11.57. Balanç de matèria de la columna.

HF FREÓN-11 FREÓN-12

Aliment 0.20 0.40 0.40

Destil·lat 0.00 0.00 1.00

Residu 0.33 0.66 0.00



disse tals o el dià et e de la olu a o l altu a u op seleccionat el tipus de rebliment.


continuació:

Taula 11.58. Paràmetres físics de disseny.

PARÀMETRE VALOR



% Mà i d i u da i 71.03

Nº etapes eq. Teòriques 22.00

HETP (m) 0.46


equació:

= ç ′ �

142

11.6.2.1. Disseny intern





La columna CD-302 funcionarà amb un rebliment aleatori anomenat Anells Pall de plàstic

do at ue tot i ue l à id fluo híd i i l à id lo híd i s a híd ids pe ao s de segu etat s ha

decidit e p a el e li e t de plàsti pe e ita ue a uest es o oei i. “ ha utilitzat o a

plàsti el Teflo do at ue l à id fluo híd i s u o osiu olt pote t i a uest ate ial s

esiste t a la o osi d a uest à id.

A partir de la informació que proporciona la Taula 2 i un cop conegut el diàmetre de la

olu a s ha dete i at utilitza A ells Pall de Teflo , do at ue sota les o di io s de

t e all de la olu a a uest p opo io a u a aiguda de p essi e o i s assolei u o

percentatge d i u da i à i a de la olu a, pe ta t, es pot ga a ti el o fu io a e t

de la columna CD-302.

Figura 11.47. Pall Ring de plàstic.



olu a s ha e p at u dist i uïdo pe tal de ga a ti ue o es fo i a i s p efe e ts e

el flux del líquid entre el rebliment i per tant aconseguir una distri u i pti a d a uest. Ai í

do s s ha dete i at ue e a uest as s utilitza à el dist i uïdo VK‘ de l e p esa “ulze de

plàsti PVDF do ada la g a o osi ue p o o a l HF ua es t o a dissolt.

143

Figura 11.47. Distribuïdo de lí uid VKR de l’e p esa Sulze




supo ta el pes de la olu a e pa ada ue t pe so e. E a uest as s ha dete i at



s utilitza o a ol·le to i edist i uïdo de lí uid e t e les se io s e pa ades.

Figu a . . Re dist i uïdo i ol·le to de lí uid VSTG de g afit de l’e p esa Sulze


El supo t del e li e t a s de supo ta el pes d a uest ha de te i el disse ade uat pe


e li e ts aleato is EM“ de l e p esa “ulze el lí uid des e dei a t a és de les obertures cap

al fo s, i el apo as e dei a t a s de la se i supe io . “ ha de idit utilitzat a uest tipus de


diàmetre de la columna CD-302 és molt petit. Pe otius de segu etat s ha e o e t el supo t

a de Teflo do at ue es e essita la igidesa ue apo ta l a e pe tal de supo ta tot


144

Figu a . . Supo t de e li e t EMS de l’e p esa Sulze .



L‘P de l e p esa “ulze . L i je to esta à e o e t d u a capa de Teflon de 1 mm de gruix per

motius de seguretat.

Figu a . . I je to de lí uid LRP de l’e p esa Sulzer.


La columna CD- s ha disse at e à i a e t e p a t les e ua ions que es mostren a

l apa tat . . . . . Les dades utilitzades i els resultats obtinguts es mostren a les taules

següents:

Taula 11.59. Dades emprades.

PARÀMETRE VALOR



Pdisseny 6.07

Tdisseny 76.95

S (bar) 1082.48

E 0.85

L (mm) 457.20

R (mm) 228.60

L/r 10.00

Pext (bar) 1.01

E (Quan Pext) 1.00

C1 (mm) 2.00

145

Taula.11.60. Resultats obtinguts





11.6.2.3. Alçada

L alçada de la olu a CD- s ha al ulat itja ça t les e ua io s que es mostren a

l apa tat . . . . . Els resultats obtinguts es mostren a continuació:

Taula 3.61 Resultats obtinguts.

PARÀMETRE VALOR

Da (mm) 457.2

r (mm) 45.72

h1 (mm) 17.5

h2 (mm) 86.19

h3 (mm) 103.70


11.6.2.4. Pes

El pes de la columna CD- s ha al ulat itja ça t les e ua io s ue es ost e a l apa tat

11.6.1.1.4. Les dades bibliogràfiques emprades i els resultats obtinguts es mostren a

continuació:

Taula 11.62. Diferents densitats dins la columna.

PARÀMETRE VALOR

fluid (kg/m3) 1409.90



%buit 95.00

Taula 11.63. Característiques de la comulna.

PARÀMETRE VALOR


Vcolumna (m3) 1.67




146

11.6.2.5. Disseny del faldó

Per tal de supo ta el pes d u e ipie t e ti al tal o u a olu a de destil·la i , el supo t


i fe io itja ça t u a soldadu a, i ge e al e t, la ida d a uesta soldadu a determinat el



o sta à d u a es ala la ual ti d à u a altu a igual ue l altu a de la olu a i la seva


11.6.2.6. Aïllament tèrmic

L aïlla e t t i de la olu a s olt i po ta t ja ue eduei el ost e e g ti , a t



l e p esa Calo ol te i t e o pte ue el ate ial e p at s la lla a de o a i e al de



A la taula següe t es ost e les dades d ope a i i t oduïdes al p og a a ai í o el alo s


Figura 11. . Pa à et es d’ope a i .

PARÀMETRE VALOR










147


de l e uip si ulat.





Taula11.65. Aproximació dels paràmetres de disseny.

PARÀMETRE VALOR








Taula . . Bala ços d’e t ada i so tida de la olu a.



22.60 13.33 9.265

Temperatura (ºC) 20.00 -23.73 120.30

Pressió (atm) 10.00 10.00 10.00

Densitat (Kg/m3) 150.30 1267.00 1309.00

Entalpia (KJ/Kg) -4227.00 -6807.00 -1574.00



FREÓN-13 FREÓN-12 CCl4

Aliment 0.59 0.11 0.30

Destil·lat 1.00 0.00 0.00

Residu 0.00 0.28 0.72



disse tals o el dià et e de la olu a o l altu a u op seleccionat el tipus de rebliment .


continuació:

148


PARÀMETRE VALOR



% Mà i d i u da i 72.00

Nº etapes eq. teòriques 20.00

HETP (m) 0.31

El esultat p opo io at pel si ulado H s s de l HETP s ha o p o at itja ça t la següe t equació: = ç ′ �




rebliment donat que es tre alla sota ope a io s d ope a i fo ta e t o osi es i s s


La columna CD- fu io a à a u e li e t egula d a e i o ida le AI“I ja ue e

aquesta colu a o hi ha p o le es de o osi . “ ha sele io at el e li e t Mellapak X

de l e p esa “ulze do at ue itja ça t el si ulado H s s s ha o se at ue e a el s

adequat per a les condicions de treball donat que proporciona una caiguda una caiguda de

p essi ai a i s assolei u o pe e tatge d i u da i à i a de la olu a.

A s, el e li e t e p at s el s utilitzat a eu del e dife e ts tipus d i dúst ies del

sector químic donat que té un rendiment excel·lent en columnes de diàmetres fins a 15 m.

149

Figura 11.51. Mellapak 500 X





do s s ha dete i at ue e a uest as s utilitza à el dist i uïdo VK de l e p esa “ulze

donat que és el més adequat per a les característiques físiques de la columna CD-303.

Figu a . . Dist i uido de lí uid VK de l’e p esa Sulzer.


La columna CD-303 té una altura superior a 6 metres, per tant, s ha de idit utilitza u

redistribuïdor de líquid per tal de garantir una distribució uniforme del flux de líquid així com

suportar el pes de la columna empacada que té per sobre. Aquesta redistribució del líquid

e t e llits de e li e t illo a l efi i ia de la olu a. E a uest as s ha es ollit el

ol·le to “LT de l e p esa “ulze i lou u supo t de e li e t a u ol·le to de lí uid.

150

Figura 11.53. Redistribuidor de líquid amb suport SLT de Sulzer.



tal de permetre un flux relativament no restringit del líquid i el gas. E a uest as s ha utilitzat

el supo t T“ de l e p esa “ulze do at ue el edist i uïdo o sta d u supo t addi io al.

A uest tipus de supo t i pedei ue el e li e t de la olu a s i u di p e atu a e t

donat que consta de plaques de degoteig.

Figu a . . Supo t del e li e t TS de l’e p esa Sulze .



L‘P de l e p esa “ulze .

Figu a . . I je to de lí uid LRP de l’e p esa Sulze .

151


La columna CD- s ha disse at e à i a e t e p a t les e ua ions que es mostren a


següents:

Taula 4. Dades emprades

PARÀMETRE VALOR



Pdisseny 12.73

Tdisseny 140.20

S (bar) 1068.69

E 0.85

L (mm) 304.80

R (mm) 152.40

L/r 10.00

Pext (bar) 1.01

E (Quan Pext) 1.00

C1 (mm) 2.00






11.6.3.3. Alçada

L alçada de la olu a CD- s ha al ulat itja ça t les e ua io s que es mostren a

l apa tat . . . . . Els resultats obtinguts es mostren a continuació:


PARÀMETRE VALOR

Da (mm) 304.80

r (mm) 30.48

h1 (mm) 21.00

h2 (mm) 56.25

h3 (mm) 77.25


152

11.6.3.4. Pes

El pes de la columna CD- s ha al ulat itja ça t les e ua io s ue es ost e a l apa tat


continuació:

Taula 11.71. Dades bibliogràfiques.

PARÀMETRE VALOR

fluid (kg/m3) 1299.95



%buit 91.00

Taula 11.72. Resultats obtinguts..

PARÀMETRE VALOR


Vcolumna (m3) 0.47





Pe tal de supo ta el pes d u e ipie t e ti al tal o u a olu a de destil·la i , el supo t





o sta à d u a es ala la ual ti d à u a altu a igual ue l altu a de la olu a i la se a




l e uip sota o di io s pti es de t e all i pot evitar danys físics als treballadors de la planta.

153



kg/m3. A més, s ha de idit utilitza a e i o ida le ta t pe la supe fí ie e te io o pe la



proporcionats per aquest corresponents a les característi ues de l aïlla e t.

Taula . . Dades d’ope a i i t oduïdes.

PARÀMETRE VALOR





G ui de l aïlla e t (polz.) 2

Efi à ia de l aïlla e t 92%





de l e uip si ulat.


Pe fe se i a uest tode al si ulado s i t odueixen la temperatura i les composicions del



Taula 11.74. Aproximació dels paràmetres de disseny.

PARÀMETRE VALOR








154

Taula . . Bala ços d’e t ada i so tida de la olu a.



9.27 2.60 6.67

Temperatura (ºC) 35.00 -0.47 117.80

Pressió (atm) 3.00 3.00 3.00

Densitat (Kg/m3) 1512.00 17.51 1395.00

Entalpia (KJ/Kg) -1650.00 -4125.00 -783.70



CCl4 FREÓN-12

Aliment 0.77 0.23

Destil·lat 0.00 1.00

Residu 1.00 0.00



disseny tals com el dià et e de la olu a o l altu a u op sele io at el tipus de e li e t .


continuació:


PARÀMETRE VALOR



% Mà i d i u da i 70.98

Nº etapes eq. teòriques 20

HETP (m) 0.15


equació:

= ç ′ �


El disse i te d u a olu a de destil·la i s olt i po ta t do at ue s ha de ga a ti

u o fu io a e t d a uesta. La olu a CD- s ha dissenyat com una columna de



155

La columna CD-304 funcionarà amb un rebliment regula d a e i o ida le AI“I ja ue e

a uesta olu a o hi ha p o le es de o osi . “ ha sele io at el e li e t Mellapak X

de l e p esa “ulze do at ue itja ça t el si ulado H s s s ha o se at ue e a el s

adequat per a les condicions de treball donat que proporciona una caiguda una caiguda de

p essi ai a i s assolei u o pe e tatge d i u da i à i a de la olu a.

A s, el e li e t e p at s el s utilitzat a eu del e dife e ts tipus d i dúst ies del

sector químic donat que té un rendiment excel·lent en columnes de diàmetres fins a 15 m.

Figura 11.55. Mellapak 125 X




el flux del líquid entre el rebliment i per tant aconseguir una dist i u i pti a d a uest. Ai í

do s s ha dete i at ue e a uest as s utilitza à el dist i uïdo VK de l e p esa “ulze

donat que és el més adequat per a les característiques físiques de la columna CD-304.

Figu a . . dist i uïdo de lí uid VK de l’e p esa Sulze .



redistribuïdor de líquid per tal de garantir una distribució uniforme del flux de líquid així com

156

suportar el pes de la columna empacada que té per sobre. Aquesta redistribució del líquid

e t e llits de e li e t illo a l efi i ia de la olu a. E a uest as s ha es ollit el

ol·le to “LT de l e p esa “ulze i lou u supo t de ebliment amb un col·lector de líquid.

Figura 11.57. Redistribuidor de líquid amb suport SLT de Sulzer.



tal de permetre un flux relativament no rest i git del lí uid i el gas. E a uest as s ha utilitzat

el supo t T“ de l e p esa “ulze do at ue el edist i uïdo o sta d u supo t addi io al.

A uest tipus de supo t i pedei ue el e li e t de la olu a s i u di p ematurament

donat que consta de plaques de degoteig.

Figu a . . Supo t del e li e t TS de l’e p esa Sulze .


L e t ada del o e t d ali e t o o t lí uid i gas s ha de idit utilitzar un injector de tipus

L‘P de l e p esa “ulze .

157

Figu a . . I je to de lí uid LRP de l’e p esa Sulze .


La columna CD- s ha disse at e à i a ent emprant les equacions que es mostren a

l apa tat 11.6.1.1.2. Les dades utilitzades i els resultats obtinguts es mostren a les taules

següents:


PARÀMETRE VALOR



Pdisseny 5.38

Tdisseny 137.80

S (bar) 1068.69

E 0.85

L (mm) 152.40

R (mm) 76.20

L/r 10.00

Pext (bar) 1.01

E (Quan Pext) 1.00

C1 (mm) 2.00

Taula 11.79.6 Resultats obtinguts





158

11.6.4.3. Alçada

L alçada de la olu a CD- s ha al ulat itja ça t les e ua io s ue es ost e a

l apa tat 11.6.1.1.3. Els resultats obtinguts es mostren a continuació:

Taula 11.80. Resultats obtinguts.

PARÀMETRE VALOR

Da (mm) 152.40

r (mm) 15.24

h1 (mm) 10.50

h2 (mm) 28.12

h3 (mm) 38.62


11.6.4.4. Pes

El pes de la columna CD- s ha al ulat itja ça t les equacions ue es ost e a l apa tat


continuació:

Taula 11.81. Dades bibliogràfiques.

PARÀMETRE VALOR

fluid (kg/m3) 1421.30



%buit 97.00


PARÀMETRE VALOR


Vcolumna (m3) 0.056





Pe tal de supo ta el pes d u recipient vertical tal com una columna de destil·lació, el suport




159





L aïlla e t t mic de la columna és molt important ja que redueix el cost energètic, manté


Pe tal de al ula el g ui de l aïlla e t de la olu a s ha utilitzat el p ograma Insulan de




A la taula següent es ost e les dades d ope a i i t oduïdes al p og a a ai í o el alo s



PARÀMETRE VALOR


Temperatura desitjada d aïlla e t 35





1. Colu a d’a sor ió

La absorció és una operació en la que es transfereix matèria des la fase gas a la fase líquida. En

u a to e d a so i el o e t gas i ula e o t a o e t a el lí uid. El gas as e dei o

o se ü ia de la dife ia de p essi e t e l e t ada i la so tida de la olu a. El o ta te

entre les dues fases produeix la transferència del solut de la fase gas a la fase líquida, donat

ue el solut p ese ta ajo afi itat pel dissol e t. L o je tiu s ue el o ta te e t e a dues

fases sigui el màxim possible, així com que el temps de residència sigui suficient perquè la

major part del solut pugui transferir-se d u a fase a u alt e.

11.6.5. Disseny de la columna CA-401

Pe tal d a o di io a l HCl p oduït a la pla ta CADMA he i als s ha e p at u a olu a

d a so i . El o e t de so tida de la olu a CD-302, el qual conté HCl pur, es barreja amb

160

u o e t d ai e pu e u es lado i el o e t de so tida s i t oduei pe la pa t i fe io de

la columna CA- . E a i, pe la pa t supe io de la olu a s i t oduei u o e t d aigua

pura en condicions atmosfèriques. El corrent de sortida de la part inferior de la columna CD-

o t l à id lo híd i a o di io at pe pode o e ialitza -lo. La columna segueix

l es ue a següe t:

A les taules següents es mostren els cabals dels dife e ts o po e ts dels o e ts d e t ada

i de sortida i els paràmetres físics obtinguts per a cadascun:

Taula . . Ca als dels dife e ts o po e ts dels o e ts d’e t ada i so tida.

Corrent 1 Corrent 2 Corrent 3 Corrent 4

HCl 0.00 0.00 0.91 0.17

H2O 1.00 37.01 0.00 0.83

Aire 0.00 4.14 0.09 0.00

Taula 11.85. Propietats físiques del corrents.

Corrent 1 Corrent 2 Corrent 3 Corrent 4


226.10 41.15 44.00 228.9

Temperatura (ºC) 25.00 97.03 -75.33 88.01

Pressió (atm) 1.00 1.00 1.00 1.00

Densitat (Kg/m3) 995.10 0.63 2.24 1111

Entalpia (KJ/Kg) -1.59·104 -1.13·104 -2429 -1,23·104

Cabal de calor (KJ/h)

-6.46·107 -8.85·106 -3.82·106 -5.95·107

161



o fu io a e t d a uesta. La olu a CA- s ha disse at o u a olu a de



La columna CA-401 funcionarà amb un rebliment aleatori anomenat Anells Raschig de vidre

do at ue l à id lo híd i e p es ia d aigua s alta e t o osiu i a uest ate ial p ese ta

una gran resistència a la corrosió.

A partir de la informació que proporciona la Taula 11.85 i un cop conegut el diàmetre de la

olu a s ha dete i at utilitza A ells ‘as hig do at ue sota les o di io s de t e all de

la olu a a uest p opo io a u a aiguda de p essi e o i s assoleix un bon percentatge

d i u da i à i a de la olu a, pe ta t, es pot ga a ti el o fu io a e t de la

columna CA-401.



olu a s ha emprat un distribuïdor per tal de garantir que no es formin camins preferents en


do s s ha dete i at ue e a uest as s utilitza à el dist i uïdo VK‘ de l e p esa “ulze de

plàstic (PVDF) donada la g a o osi ue p o o a l à id lo híd i ua es t o a dissolt e

aigua.

Figu a . . Dist i uido de lí uid VKR de l’e p esa Sulze .


La columna CA-401 t u a altu a supe io a et es, pe ta t, s ha de idit utilitza u


162

supo ta el pes de la olu a e pa ada ue t pe so e. E a uest as s ha dete i at



s utilitza o a ol·le to i edist i uïdo de lí uid e t e les seccions empacades.

Figu a . . Redist i uido i ol·le to de lí uid VSTG de g afit de l’e p esa Sulze .


El supo t del e li e t a s de supo ta el pes d a uest ha de te i el disse adequat per


rebliments aleato is EM“ de l e p esa “ulze el lí uid des e dei a t a s de les o e tu es ap

al fons, i el vapor ascendeix a través de la secció supe io . “ ha de idit utilitzat a uest tipus de


diàmetre de la columna CA- s olt petit. Pe otius de segu etat s ha e o e t el supo t

amb 1 mm de Teflon do at ue es e essita la igidesa ue apo ta l a e pe tal de supo ta tot


Figu a . . Supo t del e li e t EMS de l’e p esa Sulze .

Entrada del orre t d’ali e t

L e t ada del o e t d ali e t o o s o t gas s ha de idit utilitza u i je to de

tipus GD de l e p esa “ulze . L i je to esta à e o e t d u a apa de Teflo de de g ui

pe otius de segu etat. Pe alt e a da, l e t ada d ali e t del o e t o s o t lí uid,

pe ta t, s utilitza à l i je to LV de l e p esa “ulze .

163

Figura 11.63. Co e t d’ali e t del gas.

Figu a . . Co e t d’ali e t del lí uid.


La columna CA- s ha disse at e à i a e t e p a t les e ua io s que es mostren a


següents:


PARÀMETRE VALOR



Pdisseny 3.38

Tdisseny 117.03

S (bar) 1068.69

E 0.85

L (mm) 762.00

R (mm) 381.00

L/r 10.00

Pext (bar) 1.01

E (Quan Pext) 1.00

C1 (mm) 2.00

164






11.6.5.3. Alçada

L alçada de la olu a CA-401 s ha al ulat itja ça t les e ua ions que es mostren a

l apa tat 11.6.1.1.3. Els resultats obtinguts es mostren a continuació:


PARÀMETRE VALOR

Da (mm) 762.00

r (mm) 76.20

h1 (mm) 17.50

h2 (mm) 145.17

h3 (mm) 162.67


11.6.5.4. Pes

El pes de la columna CA- s ha al ulat itja ça t les e ua io s ue es ost e a l apa tat


continuació:

Taula 11.89. Dades bibliogràfiques emprades.

Paràmetre Valor

fluid (kg/m3) 991.29



%buit 90.00


PARÀMETRE VALOR


Vcolumna (m3) 2.20




165


Pe tal de supo ta el pes d u e ipie t e ti al tal o u a olu a d a so i , el supo t s

utilitzat e la i dúst ia s l a o e at fald . A uest s u ei a la olu a pe la part inferior

itja ça t u a soldadu a, i ge e al e t, la ida d a uesta soldadu a dete i at el g ui

requerit de la faldó.






l e uip sota o di io s pti es de t e all i pot e ita da s físi s als t eballadors de la planta.



kg/m3. A s, s ha de idit utilitza a e inoxidable tant per la superfície exterior com per la





PARÀMETRE VALOR






Eficàcia de l aïlla e t 84,97%

11.7 Disseny de canonades, bombes i compressors

11.7.1. Disseny de canonades

Les dimensions de les canonades per on circularan els fluids venen determinades pels cabals

d a uests. La lla gada de la a o ada i d à do ada pe la distància entre els equips, però per

o i e el dià et e s utilitza la següe t e ua i :

166

= √ · . · .

On:

- D: diàmetre interior de la canonada (m)

- Q: cabal que hi circula per la canonada (m3/s)

- v: velocitat del fluid per la canonada (m/s)

D a uests pa à et es des o ei e ta t el dià et e o la elo itat del fluid, pe a uest

otiu s esta lei e elo itats típi ues del fluid a l ho a de t o a el dià et e e ue it.

En el cas de líquids, les velocitats típiques solen situar-se entre 1.5 i 2.5 m/s. Pel que fa als

gasos, la velocitat típica sol variar entre 9 i 36 m/s, mentre que per corrents de vapors el rang

de elo itats s esta lei e t e i /s.

U op es o ei el dià et e e ue it d u a a o ada, a uest al o alitza -lo, per tal

d e ita ostos i e essa is de fa i a i , ai í o ta s ha de al ula el g ui ue hau ia

de tenir la canonada. Els gruixos de les canonades venen determinats, a més de pel propi

diàmetre de la canonada, per la pressió dels fluids que hi circularan per l i te io . D a uesta

manera, existeixen dos tipus de cèdules, les de 40 per a pressions atmosfèriques o

elati a e t ai es; i les dules de , ue s hau a de fe se i ua es ulgui t a spo ta

un fluid que estigui a altes pressions.

A continuació es ost a à u a figu a, itja ça t la ual s ha esta le t els dià et es i els

gruixos de les canonades.

167

Taula 11.92. Dimensions de canonades estàndard.

168

11.7.2. Disseny de bombes

Dete i a les p dues d e e gia ue e pe i e ta u fluid a a t d u pu t a u alt e, esulta

i p es i di le a l ho a de disse a les o es ue es e ue i a al lla g de tota la pla ta. El

ala ç d e e gia del fluid es pot al ula a l e ua i de Be oulli:

∆ + ∆ + ∆ = ′ − .

On:

ΔP: p dua de pressió (Pa)

: densitat del fluid (kg/m3)

Δek: p dua d e e gia i ti a 2/s2)

Δep: p dua d e e gia pote ial 2/s2)

: pot ia de la o a J/Kg

ev: p dues d e e gia degudes a la f i i J/kg

Tenint en compte que els líquids son considerats pràcticament incompressibles, si la pressió no

varia, la velocitat tampoc ho farà al llarg de la canonada, de manera que aquest terme serà

considerat negligible en els càlculs que es realitzen a continuació.

∆ = · � · � ≈ .

Els paràmetres ue defi ei e l e ua i de Be oulli pe al as de lí uids s :

∆ = · � − � . = , + , � .

, = · · · .

, � = ∑ · · ≈ . · , .

On:

- g: gravetat = 9.81 m/s2

- z: alçada (m)

169

- ev,recte: p dua d e e gia pe f i i e t a s e tes J/Kg

- ev,accessoris: p dua d e e gia pe f i i deguda als a esso is de les a o ades

(vàlvules, colzes..)

- f: factor de fanning

- L: longitud de la canonada (m)

- D: diàmetre de la canonada (m)

Co es pot o se a , pe ua tifi a la p dua d e e gia pe f i i s ha de o i e el fa to

de Fanning. Per trobar-lo, es segueix el següent esquema de càlcul:

= · · .

= · [( ) + + ⁄ ] ⁄ .

= − . · �n [( ) . + . · �] .

= ( ) .

On:

- NRe: nombre de Reynolds

- : viscositat del fluid (kg/m·s)

- �: rugositat del material

La rugositat del material dependrà del fluid que estigui circulant per la canonada, havent-se

dete i at fe ús d a e i o ida le L ua la su stà ia o ti gui pode o osiu, e t e

ue pe su stà ies fo ta e t à ides o el à id fluo híd i , o el lo híd i , s ha es ollit fe ús

de canonades de material plàstic PVDF. Les rugositats en cada cas són:

� = 1.5·10-5

� � =1.5·10-6

170

Per trobar- e la pot ia de la o a s e p a a les següe ts e p essio s:

= · ′ .

= � .

On:

- wt: potència teòrica de la bomba (W)

- m: cabal màssic del fluid (kg/s)

- �: rendiment de la bomba

- wreal: potència real de la bomba (W)

Pe últi , el alo de l alçada ue ha de su i ist a la o a es al ula o :

ℎ = ∆� + ∆· + .

11.7.3. Disseny de compressors

Els o p esso s s e p e ua el a al ue hi i ula di t e d u a a o ada ho fa e fo a

de gas. Per aquest tipus de fluids, les bombes no serveixen, havent-se de subministrar una

pressió al fluid comprimint-lo, de manera que pugui vèncer les pèrdues de pressió que sofrirà

al llarg de la canonada. Per determinar el tipus de compressor que es requerirà és segueix el

següent esquema de càlcul:

� = [( ) ⁄ − ] · ( ) .

= − · � · � · · · [( ) − �⁄ − ] .

= · .

171

On:

- �: rendiment del compressor

- P2: pressió de sortida del compressor (Pa)

- P1: p essi d e t ada al o p esso Pa

- T1: te pe atu a d e t ada al o p esso ℃)

- T2: temperatura de sortida del compressor (℃)

- : relació de les capacitats calorífiques cp/cv

- z: factor de compressibilitat del gas

- R: constant universal dels gasos ideals = 8.314 KJ/Kmol·K

- PM: pes molecular del gas (kg/Kmol)

- m: cabal màssic del fluid (Kg/s)

- P: potència del compressor (KW)

11.8 Bibliografia

Carl R. Branan, Rules of thumb for chemical engineers, 4ª Edició, Oxford Linacre House,

Jordan Hill

Do W. G ee . ‘o e t H. Pe , Pe s he i al e gi ee s ha d ook, ª Edi i pag 11-1 a 11-13)

Coulso & ‘i ha dso s, Che i al E gi ee i g Desi g, Vol , th Editio , ED. Elsevier

H. Scott Fogler, Elementos de ingenieria de las reacciones químicas, Cuarta Edición, ED.

Pearson Educación

Octave Levenspiel, Ingeniera de las reacciones químicas, Segunda Edición, ED. Reverté

Do W. G ee , ‘o e t H. Pe , Pe s Che i al E gi ee s Ha d ook, Eight Edition,

ED. McGraw Hill

Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot, Operaciones unitarias en ingeniería

química, Cuarta Ediciónn, ED. McGraw Hill

Do W. G ee , ‘o e t H. Pe , Pe s Che i al E gi ee s Ha d ook, Eight Editio , ED. McGraw Hill

Documents

Planta química per a la producció de FREÓ-13 · El disseny esfèric és el més eficient de cara a la pressió que pot ... Es tata du v Àalo ue es do va e fu vi ... U op sha disseat