ANÁLISIS Y DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS SECUENCIAS DE LOS TRENES DE SEPARACIÓN Por: Ing. M.Sc. Gastón Rioja Cárdenas
INTRODUCCIÓN Casi todos los procesos químicos requieren la separación de las especies químicas (componentes), para:
❖
Purificar una alimentación del reactor
Recuperar las especies sin reaccionar para reciclar a un reactor
Separar y purificar los productos de un reactor
Frec Frecuuente entem mente ente,, los los prin rincip cipale less cost costoos de inve invers rsió iónn y opera eración ción de un proceso serán aquellos costos asociados con el equipo de separación. Para una mezcla binaria, puede ser posible seleccionar un método de separación que pueda realizar la tarea de separación en una sola pieza de equipo. Sin embargo, más comúnmente, la mezcla de alimentación implica más de dos componentes, que implican sist sistem emas as de sepa separa raci ción ón más más comp comple lejo jos. s.
Objetivos instruccionales Cuando haya terminado de estudiar esta unidad, debe: ❖
Familiarizarse con los métodos de separación industrial más ampliamente utilizados y sus bases para ara la sep separa aración ción..
❖
Comprender el concepto del factor de separación y ser capaz de seleccionar los métodos de separación apropiados para mezclas de vapor y líquido.
❖
Comprender cómo se ordenan las columnas de destilación y cómo aplicar heurísticas para reducir la búsqueda de una secuencia casi óptima. ma.
❖
Ser capaz de aplicar métodos algorítmicos para determinar una secuencia óptima de separaciones tipo tipo dest destililac ació ión. n.
Ejemplo 1. Especificación para la Recuperación de Butenos
Diseño para el Sistema de Recuperación de Butenos Columna de 100 bandejas C3 y 1buteno en destilado Recuperación de propano y 1-buteno Pentano retirado como fondos
2 – C4=S se retira como destilado. Se recupera furfural como fondos y se recicla a C-4
n-C4 y 2-C4=s que no pueden ser separados por destilación ordinaria (=1.03), por lo que se añade 96% de furfural como agente extractivo ( 1.17). n-C4 Retirado como destilado.
La separación es intensiva en energía
A diferencia de la mezcla espontánea de especies químicas, la separación de una mezcla de productos químicos requiere un gasto de alguna forma de energía La separación de una mezcla de alimentación en corrientes de diferente composición química se consigue forzando a las diferentes especies en diferentes localizaciones espaciales, mediante una combinación de cuatro técnicas industriales comunes: La creación por transferencia de calor, trabajo de eje o reducción de presión de una segunda fase que es inmiscible con la fase de alimentación (ESA – agente separador de energía) La introducción en el sistema de una segunda fase fluida (MSA - agente separador de masa). Esto debe ser eliminado posteriormente. La adición de una fase sólida sobre la cual puede ocurrir la adsorción (MSA) La colocación de una barrera de membrana (ESA)
Métodos comunes de separación industrial Método de Separación
Fase de la alimentacion
Agente (s) separador (es)
Fase desarrollada o agregada
Principio de separación
Flash
L y/o V
Reducción de presión o transferencia de calor
VoL
Diferencia en la volatilidad
Distillación (ordinaria)
L y/o V
Transferencia de calor o trabajo de eje
VoL
Diferencia en la volatilidad
Absorción de Gas Stripping
V
Absorbente de líquidos
L
Diferencia en la volatilidad
L
Agente de separado de vapor
V
Diferencia en la volatilidad
Destilación Extractiva
L y/o V
Disolvente líquido y transferencia de calor
VyL
Diferencia en la volatilidad
Destilción Azeotropica
L y/o V
Arrastre de liquid y transferencia de calor
VyL
Diferencia en la volatilidad
Método de Separación
Fase de la alimentación
Agente (s) separador (es)
Fase desarrollada o agregada
Principio de separación
extracción Liquid-liquid
L
Liquido Solvente
Segundo Liquido
Diferencia en Solubilidad
Cristalización
L
Trasnferencia de Calor
Sólido
Diferencia en Solubilidad o m.p.
Adsorción Gaseosa
V
Solido Adsorbente
Sólido
Diferencia en Adsortividad
Adsorción Liquida
L
Solido Adsorbente
Sólido
Diferencia en Adsortividad
Membrana
LoV
Membrane
Membrana
Diferencia en Solubilidad y/o Permeabilidad
Método de Separación
Fase de la alimentación
Agente (s) separador (es)
Fase desarrollada o agregada
Principio de separación
Extracción Supercrítica
LoV
Solvente Supercrítico
Fluido Supercrítico
Diferencia en Solubilidad
Lixiviación
S
Liquido Solvente
L
Diferencia en Solubilidad
Secado
SyL
C
V
Diferencia en Volatilidad
Desublimación
V
V
S
Diferencia en Volatilidad
Selección del método de separación (1)
El desarrollo de un proceso de separación requiere la selección de:
Métodos de separación ESAs y/o MSAs Equipos de Separación Disposición o secuenciación óptima del equipo Temperatura y presión de trabajo óptimas para el equipo
La selección del método de separación depende de la condición de la alimentación:
Vapor: condensación parcial, destilación criogénica, absorción, adsorción, permeación de gases (membranas), desublimación Líquido: vaporización parcial, destilación, destilación extractiva, azeodestilación, extracción LL, cristalización, adsorción, separación por membrana (diálisis, ósmosis inversa, ultrafiltración y pervaporación), extracción supercrítica Sólido: si es suspensión filtración, si está húmeda secado, si está seco lixiviación
Selección del método de separación (2)
El factor d e separación , SF, define el grado de separación alcanzable entre dos componentes clave de la alimentación. Este factor, para la separación del componente 1 del componente 2 entre las fases I y II, para una sola etapa de contacto, se define como: I
SF
I
C 1 / C 2
II C 1
II / C 2
C = Variable de composición, I, II = Fases ricas en componentes 1 y 2.
(7.1)
SF está generalmente limitado por el equilibrio termodinámico. Por ejemplo, en el caso de la destilación, usando fracciones molares como la composición variable y dejando que la fase I sea el vapor y la fase II sea el líquido, el valor límite de SF se da en términos de relaciones de equilibrio vapor-líquido (valores K) como: (7.2,3) P1s y1 / x1 K 1 SF 1, 2 s ideal L y V y2 / x2 K 2 P2
Selección del método de separación (3)
Para operaciones de separación vapor-líquido que utilizan un MSA que provoca la formación de una solución líquida no ideal (por ejemplo, destilación extractiva): L s 1 P 1 SF 1,2 (7.5) L s 2P 2
Si el MSA se utiliza para crear dos fases líquidas, como en la extracción líquido-líquido, el SF se conoce como la selectividad relativa, b, donde: SF 1,2
1II / 2II 1I / 2I
(7.6)
En general, los MSA para la destilación extractiva y la extracción líquido-líquido se seleccionan de acuerdo con su facilidad de recuperación para reciclar y para conseguir valores relativamente grandes de SF.
Volatilidades relativas para costos iguales de separadores
Ref: Souders (1964)
Secuenciación de columnas de destilación ordinaria Secuencia de columnas de destilación ordinaria (DO) para separar una mezcla multicomponente:
en cada columna es> 1,05.
El flujo del reboiler no es excesivo.
La presión de la torre no hace que la mezcla se aproxime a la TC de la mezcla.
La caída de presión de la columna particularmente si la operación está al vacío.
El vapor de cabeza puede ser al menos parcialmente condensado a la presión de la columna para proporcionar reflujo sin requerimientos excesivos de refrigeración.
La temperatura de fondo para la presión de la torre no es tan alta que la descomposición química se produce.
Los azeótropos no impiden la separación deseada.
es
tolerable,
Algoritmo para seleccionar tipo de presión y condensador
Número de secuencias para la destilación ordinaria Ecuación para el número de diferentes secuencias de P - 1 columna de destilación ordinaria (OD), N s , para producir productos P: (7.9) [2( P 1)]! N s P!( P 1)!
P
# de Separadores
N s
2
1
1
3
2
2
4
3
5
5
4
14
6
5
42
7
6
132
8
7
429
Ejemplo 2 Secuencias para la separación de 4 componentes
Ejemplo 2 Secuencias para la separación de 4 componentes
Identificar las mejores secuencias usando Heurística A menudo se utilizan las siguientes directrices para reducir el número de secuencias OD que deben estudiarse en detalle:
Retire los componentes térmicamente inestables, corrosivos o reactivos químicamente al comienzo de la secuencia.
Eliminar los productos finales uno a uno como destilados (la secuencia directa).
Puntos de separación de secuencia para eliminar, al principio de la secuencia, aquellos componentes de mayor porcentaje molar en la alimentación.
Los puntos de separación de secuencia en el orden de la volatilidad relativa decreciente de modo que las divisiones más difíciles se hacen en ausencia de otros componentes.
Puntos de separación de secuencia para dejar en último lugar aquellas separaciones que dan los productos de mayor pureza.
Puntos de separación de secuencia que favorecen cantidades casi equimolares de destilado y de fondo en cada columna.
Ejemplo
Diseñar una secuencia de columnas de destilación ordinarias para cumplir con las especificaciones dadas.
Posible Solución
Guiado por Heurística 4, la primera columna en posición para separar los componentes clave con el SF más grande..
COLUMNAS COMPLEJAS PARA MEZCLAS TERNARIAS En algunos casos, deberían considerarse columnas de destilación complejas más que sencillas al desarrollar una secuencia de separación.
Ref: Tedder and Rudd (1978)
Regiones de Optimalidad Como se muestra a continuación, las regiones óptimas para las diversas configuraciones dependen de la composición de la alimentación y del índice de facilidad de separación: ESI = AB/ BC
ESI 1.6
ESI 1.6
Sistema Petlyuk acoplado térmicamente
Columna divisoria de pared (DWC)
Fidkowski y Krolikowski (1987), demostraron que este sistema tiene los requerimientos mínimos de vapor de ebullición molar (energía mínima). Pero tiene dificultad para controlar las fracciones de vapores y flujos de líquidos entre dos columnas.
Introducido por Wright (1949), el ahorro en energía y capital y no tienen dificultades de control. La primer DWC fue instalado por BASF en 1985..
Secuenciación de sistemas de separación V-L
Cuando la destilación sencilla no es práctica para todos los separadores en un sistema de separación de mezcla multicomponente, deben emplearse otros tipos de separadores y el orden de volatilidad u otro índice de separación puede ser diferente para cada tipo.
Si son todos separadores de dos productos y si T es igual al número de tipos diferentes, entonces el número de secuencias posibles es dado ahora por: T
N s
T
P 1
N s
(7.10)
Por ejemplo, si P = 3 y la destilación ordinaria, se debe considerar la destilación extractiva con el disolvente I o el disolvente II y la extracción de LL con el disolvente III, entonces T = 4, y aplicando las Ecuaciones (7.9) y (7.10) se obtiene 32 Secuencias posibles (para la destilación ordinaria sola, N S = 2).
Ejemplo 3 (Ejemplo 1 revisado) Species Propane 1-Butene n-Butane trans -2-Butene cis -2-Butene n-Pentane
E
b.pt.( C) -42.1 -6.3 -0.5 0.9 3.7
Tc ( C) 97.7 146.4 152.0 155.4 161.4
Pc, (MPa) 4.17 3.94 3.73 4.12 4.02
F
36.1
196.3
3.31
A B C D
Para T = 2 (OD y ED), y P = 4, N S = 40. Sin embargo, puesto que 1-Buteno también debe separarse (¿por qué?), P = 5 y NS = 224. Claramente, sería útil reducir el número de secuencias que deben analizarse. Necesidad de eliminar las separaciones no factibles, y hacer cumplir DO para las separaciones con volatilidades aceptables.
Ejemplo 3 (Ejemplo 1 revisado) Par binario adyacente Propane/1-Butene (A/B) 1-Butene/n-Butane (B/C) n-Butane/trans -2-Butene (C/D) cis -2-Butene/n-Pentane (E/F)
ij
a 65.5 oC 2.45 1.18 1.03 2.50
Las relaciones A / B y E / F deben ser por OD solamente( 2.5) Relación C / D es imposible por OD( = 1.03). Relación B/C Es factible, pero un método alternativo puede ser más atractivo. El uso de furfural al 96% como disolvente para ED incrementa la volatilidad de las parafinas a las olefinas, provocando una inversión de la volatilidad entre el 1-buteno y el n-butano, alterando el orden de separación de ABCDEF y dando C/B = 1.17. Tambien, la relación (C/D)II con = 1.7, Debe utilizarse en lugar de OD.. Así, las relaciones a considerar, con todas las demás prohibidas, son: (A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, y (…C/D…)II
Estimación del Costo Anualizado, CA Para cada separación, CA se estima suponiendo 99% en moles de recuperación de la clave ligera y la clave pesada en el destilado y el fondo, respectivamente. Se siguen los siguientes pasos:
1. Ajuste las presiones de las columnas de destilado y de fondo usando 2. Estimación del número de etapas, etapa de alimentación y estimación inicial de la razón de reflujo (R = 1.2 R min) Utilizando un método de destilación de atajo (ej., DSTWU de Aspen plus). 3. Seleccione el espaciado de la bandeja (normalmente 2 pies) y calcule la altura de la columna, H (asuma una eficiencia total igual a 75%). 4. Estimación de las condiciones del recalentador, del condensador y del diámetro de la columna mediante un método de destilación riguroso (e.j., RadFrac de Aspen plus) 5. Calcular el costo de la torre(vea Cap. 16). 6. Tamaño y coste del equipo auxiliar (condensador, rehervidor, bombona de reflujo). Suma total de la inversión de capital, CTCI. 7. Calcule el costo anual de las utilidades de calefacción y refrigeración(CCOS). 8 Calcular CA asumiendo ROI (tipicamente r = 0 33) CA = CCOS + r CTCI
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
1era ramificacióno de secuencias Secuencia
Cost, $/año
1-5-16-28
900,200
1-5-17-29
872,400
1-6-18
1,127,400
1-7-19-30
878,000
1-7-20 Especies Propane 1-Butene n-Butane trans -2-Butene cis -2-Butene n-Pentane
1,095,600 A B C D E F
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
2da ramificación de secuencias Secuencias
Cost, $/año
2-(8,9-21)
888,200
2-(8,10-22)
860,400
Especies Propane 1-Butene n-Butane trans -2-Butene cis -2-Butene n-Pentane
A B C D E F
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
3ra ramificación de secuencias Secuencia 3-11-23-31 3-11-24
Cost, $/año 878,200 1,095,700
3-12-(25,26)
867,400
3-13-27
1,080,100
Especies Propane 1-Butene n-Butane trans -2-Butene cis -2-Butene n-Pentane
A B C D E F
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
4ta Ramificación de Secuencias Secuencia 4-14-15
Species Propane 1-Butene n-Butane trans -2-Butene cis -2-Butene n-Pentane
Cost, $/año 1,115,200
A B C D E F
Secuencia de menor costo
Secuencia
Cost, $/año
2-(8,10-22)
860,400
Método de la tasa de vapor marginal Cuando el número de productos es más de cuatro, el uso del método de costo anualizado es muy difícil y requiere mucho tiempo. Uno de los métodos menos rigurosos para OD que puede producir buenos resultados es la Velocidad de Vapor Marginal (MV) propuesta por Modi y Westerberg (1992). ➢
➢
➢
La diferencia de costes entre la separación en ausencia de componentes no claves y la separación en presencia de componentes no claves, definida como coste marginal anualizado (MAC). Una buena aproximación de MAC es el MV, que es la diferencia correspondiente en la velocidad de vapor molar que pasa por la columna. Se selecciona la secuencia con la suma mínima de la columna MVs. La tasa de vapor es una buena medida del costo porque es un factor importante en la determinación del diámetro de la columna, las áreas del rehervidor y del condensador, y las condiciones del recalentador y del condensador.
Estimación de la tasa de vapor marginal, MV Para cada separación, MV se calcula asumiendo la alimentación en el punto de burbuja y 99,9% en moles de recuperación de la clave ligera y la tecla pesada en el destilado y el fondo, respectivamente. Se siguen los siguientes pasos:
1. Ajuste las presiones de las columnas de destilado y de fondo usando 2. Estimación de la velocidad de destilación (D), usando un método de destilación de corte corto (por ejemplo, DSTWU en Aspen plus con R=1.2 R min). 3. Calcular la velocidad de vapor de columna ascendente como V=D(R+1). 4. Calcular la MV (La diferencia en la velocidad de vapor entre la separación en ausencia de componentes no claves y la separación en presencia de componentes no claves)
Ejemplo 4 Utilice el método de velocidad de vapor marginal (MV) para determinar una secuencia para el hidrocarburo especificada en la figura, excepto: 1.
Ignorar la temperatura y la presión de la alimentación
2.
Suponga una recuperación del 99,9% en cada columna
Ejemplo 4 A=isobutane, B= n-butane, C=isopentane, D= n-pentane
Trenes de separación - Resumen Al completar esta unidad, debe:
Familiarizarse con los métodos de separación industrial más ampliamente utilizados y sus bases para la separación.
Comprender el concepto del factor de separación y ser capaz de seleccionar métodos de separación apropiados para mezclas líquidas.
Comprender cómo se ordenan las columnas de destilación y cómo aplicar heurísticas para reducir la búsqueda de una secuencia casi óptima.
Ser capaz de aplicar métodos algorítmicos para determinar una secuencia óptima de separaciones tipo destilación.
