HEURISTICA DE TORRES DE DESTILACIÓN Y ABSORCIÓN DE GASES
EDISON GILPAVAS Profesor Ingeniería de Procesos Universidad EAFIT. Medellín-Colombia E-mail:
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OBJETIVOS • Analizar las normas heurísticas y algoritmos aplicados en el diseño de torres de destilación y de absorción de gases. • Comprender de forma clara y gráfica el funcionamiento de torres de destilación y de absorción. • Aplicar la heurística para el diseño de torres de destilación y de absorción de gases empacadas y de platos o bandejas. • Presentar ejemplos que lleven a un mejor entendimiento del empleo de las normas heurísticas para cada uno de los equipos anteriormente mencionados.
INTRODUCCIÓN Dentro de los conceptos de heurística y algoritmos se distinguen básicamente los mismos pasos[1] para abordar el diseño. Éstos son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Concepción y definición del problema. Desarrollo del diagrama de flujo. Diseño del equipo. Análisis económico. Optimización. Publicación. [1] ULRICH, A guide to chemical engineering process design and economics.
DESTILACIÓN • Es una de las operaciones de separación líquido-vapor más comunes. • Requiere de suministro o retiro de energía, valiéndose de la diferencia de las volatilidades relativas. • El calor ocasiona que los componentes de menor punto de ebullición se evaporen, dejando los componentes menos volátiles en forma líquida. • La destilación puede utilizarse para separar mezclas binarias o multicomponentes. • Variables de diseño como la presión de la columna, la temperatura, el tamaño y el diámetro son determinadas por las propiedades de las corrientes de alimentación y los productos deseados. Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
TIPOS DE TORRES
• Torres empacadas:
El empaque proporciona una mayor área superficial de contacto del líquido y el vapor. Las diferencias en la concentración causan que los componentes con menor volatilidad pasen de la fase de vapor a la fase líquida. El empaque incrementa el tiempo de contacto, aumentando la eficiencia de la separación. El vapor saliente contendrán los componentes más volátiles, mientras que los menos volátiles saldrán en la corriente líquida de producto de fondo.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
Tipos de empaques •
Empaques individuales: Están compuestos de un material inerte como la arcilla, porcelana, plástico o grafito. El tamaño del empaque se encuentra entre 3-75mm.
•
Empaques apilados: El apilado es una estructura en forma de malla del mismo diámetro de la columna. Proporciona canales continuos y largos para los flujos de líquido y vapor. Este tipo de empaque implica una menor caída de presión. Están fabricados de madera, hojas de metal.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
VENTAJAS
DESVENTAJAS
La columnas de diámetro menor a 0.6 El empaque se puede m tienen una mejor relación costo durante la instalación. eficiencia.
quebrar
Debido a que el empaque puede estar hecho de materiales inertes, las torres Muy costoso para altos flujos. empacadas son capaces de operar con sustancias muy corrosivas.
La caída de presión es menor que en Cuando el flujo líquido es muy baja, una torre de platos. disminuye la eficiencia del contacto. Son adecuadas para térmicamente sensibles.
líquidos Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
TIPOS DE TORRES • Torres de platos: Las columnas de platos o bandejas son las más utilizadas para la destilación. El numero de platos o etapas en la columna es específico para cada aplicación. La geometría de los platos dentro de la torre afecta la extensión y tipo de contacto entre las corrientes de vapor y líquido para lograr que sea posible una separación completa. La corriente líquida pasa de plato a plato a través de unos canales laterales en forma de zigzag.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
Tipos de platos • Tipo malla o tamiz:
Tiene agujeros pequeños de 3 a 12mm de diámetro por donde fluye el vapor. La energía cinética del vapor mantiene el líquido por encima de la superficie del plato.
• Tipo válvula:
Los agujeros tienen válvulas de paso que evitan que el líquido pase por los orificios. Este tipo de plato es mas costoso.
• Bubble cap:
Los orificios están
sobrepuestos en la corriente del gas, evitando que el líquido pase. Son poco usados por su alto costo. Tomado de: WALAS (1999)
VENTAJAS
DESVENTAJAS
La columnas de diámetro mayor a 0.6 m Hay una mayor caída de presión que en tienen una mejor relación costo las columnas empacadas. eficiencia.
El contacto líquido-vapor de flujo cruzado en una columna de platos es más efectivo que en contracorriente en una columna empacada.
Se puede emplear para aplicaciones criogénicas. Puede manejar altos flujos con una relación costo-eficiencia baja.
El fenómeno de espuma puede presentarse debido a la agitación del líquido por medio de vapor que fluye hacia arriba.
ABSORCIÓN DE GASES • Para poder separar o extraer uno o más de los componentes de una mezcla, el componente debe ponerse en contacto con otra fase. Cuando las dos fases en contacto son un gas y un líquido, la operación unitaria de llama absorción. • Uno ó varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida por medio de la absorción. Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto a través del gas, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido, que también está en reposo. •
Tomado de: Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
EJEMPLOS • Absorción de amoníaco del aire por medio de agua líquida: en general la solución amoníaco–agua de salida se destila para obtener un amoníaco relativamente puro.
• Absorción de SO2 de gases de combustión en soluciones alcalinas. • Hidrogenación de aceites comestibles en la industria alimenticia, se burbujea hidrógeno gaseoso en el aceite para absorberlo, entonces el hidrógeno gaseoso en la solución, reacciona con el aceite en presencia de un catalizador.
TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN • Torres
empacadas:
Las torres empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un líquido. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, poniéndose en contacto con el líquido descendiente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona extensa área de contacto íntimo entre el gas y el líquido.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
EMPAQUES y DISTRIBUIDORES •
Tipos de soportes para los diferentes empaques.
•
Tipos de distribuidores.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
Empaques • (a) Anillos Rasching; (b) anillo Lessing; (c) anillo de doble espiral; (d) anillo metálico pall; (e) anillo plástico Pall, (f) silla cerámica Berl; (g) silla cerámica intalox; (h) silla plástica intalox; (i) silla metálica intalox; (j) Tellerette; (k) tripak plástico; (l) tripak metálico; (m) malla de madera; (n) sección de empaque metálico expandido; (o) secciones de empaques metálicos expandidos ubicados alternativamente; (p) GEM estructura empacada. Tomado de: WALAS (1999)
TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN
• Torres de platos:
En esencia se usan las mismas torres, tanto para la destilación como para la absorción, ya sea de tipo malla, de casquetes de burbujeo o válvulas.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN • Torres de desorción: Un ejemplo es la desorción con vapor de aceites no volátiles, en la cual el vapor se pone en contacto con el aceite y pequeñas cantidades de componentes no volátiles del mismo pasan a la corriente de vapor.
• Torres de humidificación: Cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, al proceso se le llama humidificación. La humidificación significa extracción de vapor de agua del aire. Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)
HEURÍSTICA GENERAL 1.
La destilación es usualmente el método más económico para la separación de líquidos superando otros procesos de separación.
2.
Para mezclas ideales la volatilidad relativa es la relación de las presiones de vapor.
3.
La presión de operación de la torre, es, en la mayoría de los casos, determinada por la temperatura media de condensación. (38°C-50°C);si se usa agua como refrigerante, o es determinada por la temperatura máxima permitida en el rehervidor para evitar la descomposición o degradación química.
4.
Secuencia para la separación de sistemas multicomponentes: – Se realiza la separación más fácil, que es la que requiere menos reflujo y menor cantidad de platos y se deja lo más difícil para lo último. – Cuando ni la volatilidad relativa ni la composición en el alimento varía considerablemente, se remueven los componentes uno a uno como productos de destilación. – Cuando los componentes adyacentes en el alimento varían considerablemente en cuanto a la volatilidad relativa, se hacen las separaciones en forma decreciente de acuerdo a la volatilidad. – Cuando las concentraciones en el alimento varían considerablemente, pero las volatilidades relativas no, se remueven los componentes en forma decreciente de acuerdo a la concentración.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
Rmin * D / F 1 /( 1)
5. La relación de reflujo económicamente, se encuentra entre 1.2 -1.5 veces la Rmin.
6. El numero de platos teóricos económicamente optimo, es aproximadamente dos veces Nmin. 7. El Nmin se encuentra con la ecuación de FENSKE-UNDERWOOD: Nmin = log{[x/(1- x)]ovhd/[x/(1- x)]btms}/log
8. El reflujo mínimo para mezclas binarias o seudo binarias cuando la separación es casi completa y D/F, es la relación de la rata de alimentación del destilado, se calcula de la siguiente manera: – –
Cuando el alimento entra en su punto de burbuja: Rmin*D/F=1/(-1) Cuando el alimento entra en su punto de rocío: Rmin+1*D/F= /(-1)
9. Se debe considerar un factor de seguridad de 10% de número de los platos calculados. 10. Para las bombas de reflujo también se debe considerar un 10% como factor de seguridad.
11. El número óptimo del factor de absorción Kremser, se encuentra entre 1.25 y 2.0 12. Los tambores de reflujo usualmente son horizontales, con un tiempo de residencia del líquido de 5 min lleno hasta la mitad. Se utiliza otro recipiente para la segunda fase líquida, como es el caso del agua en sistemas de hidrocarburos, este recipiente es capaz de almacenar 1.3 m/s de la fase con un diámetro mínimo de 1.4m. 13. Para torres de aprox. 0.9 m DE D. se le aumenta 1.2 m en el tope para la liberación del vapor y 1.8 m en el fondo para el nivel del líquido que retorna al rehervidor. 14. El límite de altura de una torre es de 53 m, adicionalmente se tiene el criterio de L/D < 30, y se encuentra 20
ALGORITMO 1.
Conocidas las separaciones deseadas de los componentes claves, estimar las composiciones de las corrientes de fondo y tope, suponiendo una separación perfecta.
2.
Obtener la presión, o perfil de presiones en la torre, ya sea por especificación o empleando el algoritmo que se describe más adelante.
3.
Determinar las condiciones de la corriente de entrada, mediante un flash adiabático a la presión fija o presión promedio de la columna.
4.
Calcular el número mínimo de etapas teóricas con la ecuación de Fenske.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
5. Volver a utilizar la ecuación de Fenske, ahora para calcular las separaciones de los componentes no claves. Comparar con las de la iteración anterior, si son iguales se sigue con el paso 6; si no, se vuelve a hacer el cálculo de presión para la columna. 6. Calcular, con la ecuación de Underwood, la relación de reflujo mínimo 7. Mediante la ecuación de Gilliland, calcular el número real de etapas teóricas a partir de la relación de reflujo real o viceversa. 8. Determinar la etapa de alimentación con la ecuación de Kirkbride. 9. Hacer el balance de energía para obtener las cargas térmicas de rehervidor y condensador
Algoritmo para perfil de presión • La presión en el tanque de reflujo debe ser menor a 415 psia por motivos económicos. • Se debe procurar el empleo de agua de enfriamiento en el condensador, sobre los refrigerantes para disminuir costos. • Se puede suponer una caída de presión en el condensador de 0 a 5 psi y de 5 psi en el resto de la torre.
• La temperatura en el rehervidor no debe provocar la descomposición del producto o acercarse a las condiciones críticas.
Heurística para Torres Empacadas 1.
La estructura y el empaque aleatorio es recomendado para torres empacadas menores de 0.9m cuando la caída de presión es requerida.
2.
Reemplazar los platos por un empaque, permite una mayor separación en torres acorazadas.
3.
Para flujos de gas de 14.2 m3/min. se emplea un empaque de 2.5cm; Para ratas de gas de 56.6 m3/min. o más se emplea un empaque de 5 cm.
4.
La relación diámetro de torre/diámetro de empaque, debe ser mayor de 15 a 1.
5.
Debido a la deformabilidad el uso de empaque plásticos se limita a 3-4m y los metálicos 6 -7.6m.
6.
Se requieren distribuidores de líquido cada 5 – 10 diámetros de la torre con anillos pall y por lo menos cada 6.5m para otro tipo de empaques.
7.
El número de distribuidores de líquidos debe ser mayor 32-55/m2 en torres mayores de 0.9m de diámetro y mas numerosos en columnas mas pequeñas.
8.
Las torres empacadas deben operar aproximadamente al 70% de la inundación total, esto se evalúa por medio de la correlación de Sherwood y Wolf.
9.
La altura equivalente de la etapa teórica (HETS) para el contacto vapor líquido es 0.4 - 0.56m para anillos pall de 2.54cm y 0.76 -0.9m para anillos pall de 5cm.
10.
Caídas de presión generalizadas:
Caída de presión
Diseño caída de presión Diseño caída de presión (cm de agua/m de (in de agua/ft de empaque) empaque)
Absorbedores y regeneradores sin espuma
2.1 – 2.3
0.25 – 0.40
Absorbedores y regeneradores
0.8 – 2.1
0.1 – 0.25
Atmósfera/presión ‘still’ y fraccionadores
3.3 – 6.7
0.4 – 0.8
Fraccionadores y ‘still’ al vacío
0.8 – 3.3
0.1 – 0.4
Valor máximo
8.33
1
Heurística para Torres de Platos 1.
Por razones de accesibilidad, el espaciamiento entre platos es de 0.5 0.6m.
2.
La eficiencia de los platos se encuentra en los valores del factor de vapor: FS = *ρ0.5 y se encuentra en un rango de 1.2 -1.5 m/s. El intervalo de FS establece el diámetro de la torre. A presiones moderadas la velocidad lineal es de 0.6 m/s y 1.8 m/s cuando esta al vacío.
3.
La caída de presión por plato esta en el orden de 7.6cm de agua.
4.
La eficiencia de los platos para la destilación de hidrocarburos livianos y soluciones acuosas es de 60-90%; para la absorción de gas es de 1020%.
5.
Los orificios de los platos en forma de malla tienen un diámetro 0.6 - 0.7cm, el área es 10% de la sección transversal activa.
6.
Los orificios de tipo válvula de los platos tienen un diámetro 3.8cm, cada uno con una capa de 130 – 150 caps/m2 de la sección transversal. Los platos con orificios tipo válvula son mas económicos que los tipo malla.
7.
Los platos de tipo ‘bubble cap’ se usan solamente cuando se debe mantener un nivel del líquido bajo, pueden ser diseñados para caídas de presión menores que para los platos tipo malla o válvula.
8.
La altura del reboce del plato es de 5cm y su longitud es aprox. El 75% del diámetro del plato. El reboce solo puede mantener 1.2m3/min. Los arreglos de múltiple paso son usados cuando se tienen ratas muy altas de líquidos.
Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)
