Manual Práctico de Destilación en PRO/II

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“FRANCISCO DE MIRANDA”

COMPLEJO ACADÉMICO “EL SABINO”

ÁREA DE TECNOLOGÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA

MANUAL PRÁCTICO PARA LA SIMULACIÓN DE

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE MASA EN COLUMNAS

DE DESTILACIÓN MEDIANTE EL SIMULADOR PRO/II

AUTOR:

AXLEY PÉREZ, Br.

PUNTO FIJO, ABRIL DE 2015

ÍNDICE

Título Pág.

Introducción……………………………………………………………….. 1

Aspectos preliminares sobre la simulación de procesos de

transferencia de masa con PRO/II………………………………............

2

Ejemplo práctico N° 1. Shortcut: Determinación de la relación de

reflujo mínimo (Rmín)……………………………………………………..

14

Ejemplo práctico N° 2. Shortcut y Distillation: Determinación del

número mínimo de etapas (Nmín) y localización del plato óptimo de

alimentación………………………………………………………………..

22

Ejemplo práctico N° 3. Distillation: Dimensionamiento de una

columna de destilación (Diámetro y altura)……………………………..

31

Caso Extra………………………………………………………………….. 37

1

Departamento de Energética – Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Punto Fijo, 2015

INTRODUCCIÓN

En el siguiente manual práctico se compila una serie de ejercicios aplicados al área de los

procesos de transferencia de masa, específicamente a procesos de destilación de

multicomponentes, con el propósito de brindar a los estudiantes de ingeniería química del

Complejo Académico “El Sabino” que cursan la unidad curricular Diseño de Plantas y no

posean nociones básicas acerca del uso del simulador de procesos químicos PRO/II, una

herramienta de iniciación al uso del simulador, orientado a la realización de simulaciones de

los procesos de transferencia con mayor relevancia en el campo de los procesos químicos: la

destilación.

El manual consta de una sección de aspectos preliminares en la cual quedan cubiertos los

aspectos básicos del simulador, versión 8.0, desde las ventanas de bienvenida del mismo,

uso de las barras de menú y herramientas, principales botones, la selección de

componentes, método termodinámico, entre otros aspectos competentes a una simulación

genérica. A su vez, se incluye un flujograma que especifica los pasos a seguir para realizar

las simulaciones mediante PRO/II y también un algoritmo sobre la selección del método

termodinámico contemplado en el libro “Simulación de Procesos en Ingeniería Química” por

Martínez Sinfuentes y colaboradores.

En el manual práctico están contemplados tres casos de estudio que engloban las nociones

de vital importancia y las acciones fundamentales a seguir para el desarrollo exitoso de una

simulación de columnas de destilación. A su vez, las incógnitas de cada caso corresponden a

parámetros de vital importancia en la simulación de procesos de destilación, tales como, la

determinación de la relación de relujo mínimo, el número mínimo de etapas, el plato óptimo

de alimentación y el dimensionamiento de las columnas. Todas estas variables cruciales en

el desarrollo de cualquier proyecto de simulación que involucre este tipo de procesos.

Es de mi total agrado ser partícipe del desarrollo de este manual práctico, con el cual, es de

esperar que se incentive el estudiantado hacia el área de la simulación de procesos siendo

ésta de vital importancia actualmente en todos los campos de la ingeniería de procesos. A su

vez, que este material sirva para el entusiasmo de realizar otros manuales que contemplen

módulos de simulación ofrecidos por PRO/II, como procesos reactivos y de transferencia de

calor, con el propósito de brindar cada vez más material al alcance de sus manos a las

nuevas generaciones del Complejo Académico “El Sabino”.

Axley Pérez, Abril de 2015.

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ASPECTOS PRELIMINARES SOBRE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS DE

TRANSFERENCIA DE MASA CON PRO/II.

Más allá de la aplicación práctica del problema que se quiera solventar mediante el uso del

simulador PRO/II, es importante y totalmente necesario conocer los aspectos teóricos

fundamentales del proceso en sí, desde los que se trabajan en este manual práctico

(destilación), hasta aplicaciones de reactores, bombas, compresores y otros equipos que

ofrezca el simulador. Es de vital relevancia para evitar incongruencias entre los fundamentos

teóricos de la naturaleza del proceso en estudio y los valores inherentes al mismo que son

introducidos al simulador.

En cuanto a la orientación de este manual práctico, es necesario conocer algunos aspectos

fundamentales preliminares del simulador PRO/II para poder realizar las simulaciones de

forma exitosa.

Antes de realizar una simulación de cualquier proceso en general, es necesario, por obvio

que parezca, saber acceder al simulador, es decir, saber afrontar el primer encuentro con la

interfaz gráfica del simulador de procesos. La siguiente imagen nos muestra el inicio del

programa.

Figura 1. Interfaz gráfica de inicio del simulador PRO/II.

Puede observarse que la interfaz gráfica muestra la pantalla principal del simulador con un

recuadro en el centro. Es de importancia, sea el propósito cualquiera por el cual se haga uso

del simulador, conocer a cabalidad qué representa el recuadro ubicado en el medio de la

pantalla principal. En él se encontrará primordialmente una barra de colores implementada

3


por el simulador para la introducción de los datos inherentes a la simulación que se vaya a

desarrollar. El color rojo representa que un campo determinado requiere la información de

entrada con carácter obligatorio para proseguir con el desarrollo de la simulación. Una vez

introducido ese valor, el campo se tornará azul, representando que el dato de entrada para

una variable específica ha sido introducido exitosamente. Por otro lado, si al ingresar un valor

en un campo específico que lo requiera, es decir, que esté recubierto de color rojo, éste se

torna de color amarillo, representa que el dato de entrada ingresado está fuera del rango

permitido para la variable especificada. Esto puede ser útil para identificar problemas como

los mencionados en el primer párrafo de este ítem en donde los valores introducidos difieren

con valores propios de la naturaleza del proceso. Por último, los campos recubiertos en color

verde representan aquellas variables del proceso predeterminadas, y de cierto modo, sin

necesidad de especificar, sin embargo, existen excepciones que se discutirán más adelante

que muestran casos en donde una variable en específico se encuentra en un campo

predeterminado y es necesario modificarla a las condiciones del proceso en estudio.

Una vez interpretado correctamente el recuadro de inicio, es posible ingresar al simulador de

una forma más segura en cuanto a la precisión de nuestra introducción de datos al proceso

en estudio.

Figura 2. Cuadro de bienvenida de PRO/II.

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Una vez que se ha accedido a la ventana principal del simulador, la misma se verá de la

siguiente forma:

Figura 3. Página principal del simulador.

Para comenzar a ejecutar el simulador PRO/II en un nuevo proyecto, se debe acceder al

ícono New, representado por una hoja en blanco en la barra de herramientas. Luego de ello,

se activará por completo la gama de íconos disponibles. En la siguiente figura se muestran

las barras de identificación, menú y herramientas que conforman la ventana principal de

PRO/II.

Figura 4. Principales barras de acceso de la ventana principal de PRO/II.

Es conveniente que el usuario se familiarice con los nombres de las distintas barras, debido a

que a lo largo del manual se hará referencia a los íconos ubicados en dichas barras. De la

misma forma, si el usuario desea dirigirse a los manuales de referencia de PRO/II, el

Barra de identificación

Barra de menú

Barra de herramientas

Crear una nueva

simulación

Abrir una simulación

existente

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conocimiento y uso adecuado de la terminología utilizada facilitará la comprensión del

mismo.

En la figura mostrada a continuación, se indican los principales botones utilizados para

comenzar a realizar una simulación de manera general.

Figura 5. Principales botones de acceso de la barra de herramientas de la ventana principal

de PRO/II.

Save: Este botón es la ruta de acceso más directa para guardar una nueva

simulación. Otra ruta de acceso para el mismo fin es a través del menú File, ubicado a

la izquierda de la barra de menú, en el cual se ubican las opciones Save y Save As.

De cualquier forma, la nueva simulación puede ser guardada con éxito en la ruta de

ubicación mostrada en la barra superior de la nueva ventana. En la siguiente figura

(figura 6) se muestra la ventana correspondiente al procedimiento de guardado

directo. En la figura 7 se muestra el menú desplegable a través de la opción File.

Figura 6. Ventana de la opción directa de guardado.

Save

PFD Palette

Units Of Measure

Component Selection

Thermodynamic Data

Run Generate Text

Report

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Figura 7. Ventana de la opción de guardado a través del menú File.

Nota: cabe recomendar, que el nombre que se le asigne a las simulaciones debe ser corto,

evitando el uso de diversos caracteres especiales y sin espacios. Se puede separar una

palabra de otra haciendo uso de guion o guion bajo, con la finalidad de evitar que las

simulaciones tiendan a corromperse. (Por ejemplo: Prueba_1).

PFD Palette: Con este botón se accede a la paleta de menú de los equipos e

instrumentos disponibles en PRO/II, así como también al uso de las corrientes o líneas

de proceso. Entre los principales equipos e instrumentos destacan columnas de

destilación (Distillation), columnas de estimados iniciales (Shortcut), pumparounds

(Side Column), equipos de mezclado (Mixer), intercambiadores de calor simples y

rigurosos, hornos y enfriadores por aire (Simple HX, Rigorous HX, Fired Heater, Air

Cooled HX), compresores (Compressor), bombas (Pump), válvulas (Valve),

controladores (Controller), calculadoras (Calculator), reactores, entre otros. La paleta

cuenta con una barra de desplazamiento que permite al usuario deslizarse para tener

acceso al resto de los equipos e instrumentos.

A continuación, se presenta la figura 8, la cual muestra el PFD Palette y algunos de

los equipos e instrumentos disponibles.

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Figura 8. Herramienta de acceso a los equipos e instrumentos disponibles en PRO/II.

Construcción del diagrama de flujos del proceso

Para realizar el diagrama de flujo del proceso se debe arrastrar la unidad seleccionada en la

paleta de equipos e instrumentos al ambiente de trabajo. Las corrientes de alimentación,

productos o conexiones entre equipos se realizan con las corrientes. Para ello, se debe

activar la opción Streams de la paleta de equipos e instrumentos, que se encuentra en la

parte superior de la paleta, enmarcada en color rojo en la figura 9. Al activar esta opción, se

activan a su vez, todos los puntos de la unidad ya arrastrada al ambiente de trabajo en los

que se puede realizar la conexión de una corriente. Estos puntos también son resaltados en

color rojo. Debe conectarse la raíz de la corriente al equipo, se arrastra y se suelta el extremo

en el lugar deseado, sea una corriente de producto final o la entrada a otro equipo.

La figura 9 ilustra lo explicado.

PFD Palette

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Figura 9. Conexión de líneas de proceso a los equipos en PRO/II.

Units Of Measure: Esta herramienta es la que permite al usuario adaptar el sistema

de unidades que se utilizará en la simulación al sistema de unidades que se disponga

en el caso práctico, asimismo, se modifican las unidades de medición en las que se

desea que sean mostrados los resultados de la simulación (reporte de resultados).

Como se observa en la figura 10, es posible modificar las unidades de todas las

propiedades o variables de operación que maneja el simulador.

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Figura 10. Ventana de modificación del sistema de unidades.

Con fines prácticos, y para evitar modificar todas las unidades de medición en cada

simulación que se realice, es posible configurar rápidamente el sistema de unidades genérico

de la simulación, es decir, si todos los datos que se poseen se encuentran en el sistema

métrico inglés o en el sistema internacional. Si la mayoría de los datos se encuentran en un

sistema métrico establecido y sólo algunas variables o especificaciones están en un sistema

distinto, se escoge como sistema predefinido aquel en el cual se tenga la mayoría de

unidades, y sólo se modifica la minoría de parámetros que se tengan en un sistema distinto.

Lo anterior se realiza a través del botón Initialize from UOM Library mostrado en el recuadro

rojo de la figura 10. Al abrir esta opción se accede a la ventana mostrada en la figura 11.

Figura 11. Initialize from UOM Library.

Component Selection: Como se muestra en el flujograma secuencial de la figura 15,

uno de los pasos básicos para la realización de una simulación es seleccionar los

compuestos químicos involucrados. Es relevante acotar que en los procesos reactivos

se debe conocer, además de los compuestos reactivos, los productos de dichas

reacciones. Debido a que en el simulador PRO/II se debe introducir todos los

compuestos involucrados, tanto los que existen al iniciar un determinado proceso,

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como aquellos que se generan a través del mismo. La selección se realiza a través de

la opción Component Selection, ubicada en la barra de herramientas. La figura 12

muestra la ventana correspondiente.

Figura 12. Selección de los componentes.

Al abrir esta opción, se observa que se muestran distintas formas de seleccionar los

componentes. Las opciones más utilizadas a nivel académico e industrial son Select from

lists y Petroleum Components. La opción Select from lists es la que se utiliza cuando se

conoce el nombre, fórmula molecular o fórmula estructural de las sustancias involucradas.

Esta opción permite acceder a los distintos bancos de componentes que posee PRO/II en

función a la clasificación de los componentes y a la naturaleza del proceso químico a simular

(refinación de petróleo, hidrocarburos ligeros, purificación de gases, procesos ácidos,

procesos que involucran solamente hidrocarburos aromáticos, endulzamiento con aminas,

entre otros). La opción Petroleum Components se utiliza en casos en los que se trabaje con

cortes de petróleo y no se disponga de los componentes individuales que lo conforman, para

lo cual, se requiere conocer la curva de destilación de dicho corte de crudo.

Thermodynamic Data: A través de esta opción es posible seleccionar el método

termodinámico a utilizar en la simulación. Es de vital importancia conocer el proceso

que se va a simular para determinar el método termodinámico que mejor reproduzca

los resultados del mismo. Esta selección se realiza con ayuda de algoritmos de

selección de métodos termodinámicos disponibles en la bibliografía, que consideran la

naturaleza de los componentes y del sistema (como la polaridad, electrolitos,

tendencia a la idealidad, entre otros) y condiciones del proceso (presión, y tipo de

proceso de separación). La figura 13 muestra la ventana de selección del método al

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activar la opción Most Commonly Used. A modo de ejemplo se seleccionó el método

termodinámico Soave Redlich Kwong, abreviado como SRK. A su vez, la figura 14

muestra un flujograma para la selección del método termodinámico.

Figura 13. Ventana de selección del método termodinámico.

En cuanto a la finalidad y a la orientación de este manual práctico, debe señalarse que los

aspectos preliminares corresponderán meramente a la simulación de procesos de

destilación, la cual, para efectos del simulador PRO/II, cuenta con dos módulos de

resolución: el método riguroso (Distillation) y el método de estimados iniciales (Shortcut). La

aplicabilidad de estos métodos está basada en un complemento entre los mismos. Cuando

no se dispone de datos suficientes para realizar una simulación a través del módulo

Distillation, es posible obtener un estimado inicial de esos datos realizando el Shortcut

correspondiente. Por ejemplo, si en un determinado caso no se dispone del número de

etapas teóricas (dato que se requiere para realizar la simulación con Distillation), se recurre a

la realización del Shortcut, el cual da como resultado un estimado del número mínimo de

etapas teóricas que requiere el proceso para obtener la separación deseada, con este

resultado se comienza un proceso iterativo en el módulo Distillation hasta obtener un

número de etapas que cumpla con las especificaciones de pureza deseadas y al menor costo

energético posible, por lo general, se utiliza un número de etapas teóricas correspondiente al

doble del número de etapas mínimas, como punto de partida al proceso iterativo, valor

establecido por los métodos y normas utilizadas en el diseño de columnas de destilación. El

Shortcut brinda, además, información de vital importancia, como la relación de reflujo

mínimo, la condición térmica de la alimentación y un estimado de la distribución de los

componentes, entre otros aspectos.

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Figura 14. Algoritmo de selección del método termodinámico.

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Figura 15. Flujograma secuencial del procedimiento general para realizar una nueva

simulación.

Abrir una nueva simulación

Asignar un nombre a la simulación

Definir el sistema de unidades a utilizar

Seleccionar los componentes

involucrados en el proceso a simular

Seleccionar el método termodinámico

que mejor se adapte al sistema de

componentes

Realizar el diagrama de flujo de proceso

del modelo de simulación con sus

conexiones y líneas de proceso

Especificar y asignar las condiciones

de operación a las corrientes y los

equipos e instrumentos seleccionados

Guardar y correr la simulación

Generar el reporte de resultados e

interpretar los mismos

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Ejemplo práctico N° 1. Shortcut: Determinación de la relación de reflujo

mínimo (Rmín)

Se va a fraccionar la siguiente alimentación a 180 °F y 150 Lbf / in2 para que a esa presión el

destilado en forma de vapor contenga 98 % de propano y únicamente 1 % de pentano.

Determine la relación de reflujo mínimo (Rmín), para 1 Kmol de alimentación.

Componente Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano

Fracción Mol 0.03 0.07 0.15 0.33 0.30 0.12

(Ejemplo 9.13, Robert Treybal)

SOLUCIÓN:

Se deberá seguir los pasos instructivos mostrados en el flujograma secuencial de la sección de aspectos preliminares a la simulación de procesos. Luego de asignar un nombre a la nueva simulación, se considera el sistema de unidades a utilizar. En este caso particular, los parámetros temperatura y presión se encuentran el sistema métrico inglés, coincidiendo con el sistema predefinido de PRO/II, por lo cual, no es necesario realizar cambios.

Por otro lado, como se observa en la tabla mostrada, los componentes del proceso son hidrocarburos livianos, por lo tanto, es recomendable su selección mediante la lista Hydrocarbon Lightends, accediendo a través de la opción Select from Lists, (Véase figura 16). A continuación, se muestran los componentes seleccionados.

Figura 16. Selección de componentes, ejemplo práctico N° 1.

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El siguiente paso para realizar la simulación es escoger el método termodinámico, siguiendo

la recomendación de selección del método termodinámico mostrada en la figura 14. En la

siguiente figura se presenta la selección del método SRK para este ejemplo práctico.

Figura 17. Selección del método termodinámico, ejemplo práctico N° 1.

Una vez cubiertos los aspectos anteriores, se procede a armar el modelo de la simulación.

Como se mencionó en el apartado de Aspectos Preliminares, el módulo de PRO/II que

permite la determinación de la relación de reflujo mínimo es el Shortcut. La siguiente imagen

muestra la selección del Shortcut en la PFD Palette y la activación de la opción de selección

de las líneas de proceso.

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Figura 18. Selección del Shortcut y activación de la opción de líneas de proceso,

ejemplo práctico N° 1.

Al seleccionar la opción del Shortcut, se arrastra el mismo hacia el espacio de trabajo de

PRO/II, y se hacen las conexiones de las corrientes correspondientes al mismo. Es

recomendable realizar un modelo de simulación que más se ajuste a la realidad, no sólo en

resultados del proceso, sino en el aspecto físico del mismo. Es decir, cuando se realiza una

simulación que requiere el uso de varios equipos o instrumentos, lo correcto es organizarlos

en el ambiente de trabajo de PRO/II de forma secuencial, conforme se lleve a cabo el

proceso, de izquierda a derecha. Lo mismo aplica para las líneas de proceso. En la figura 19

se muestra el resultado del modelo de simulación, luego de realizar las conexiones

correspondientes y seleccionar el uso de condensador y rehervidor requerido por el Shortcut.

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Figura 19. Modelo de simulación del ejemplo práctico N° 1.

Luego de construir el modelo de simulación se procede a la especificación de la corriente de

alimentación y del equipo. Para ello, se selecciona la corriente de alimentación (S1), y en la

sección Stream Type, se selecciona la opción Composition Defined, debido a que se conoce

la composición molar de la mezcla de multicomponentes a procesar y se introducen todos los

parámetros requeridos por el simulador. La figura 20 muestra la introducción de los datos de

presión y temperatura de la corriente S1 (Feed).

Figura 20. Introducción de datos de presión y temperatura de la alimentación, ejemplo

práctico N° 1.

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Ahora se debe introducir los datos de flujo y composición de la alimentación, seleccionando

la opción Flowrate and Composition, resaltada en la figura anterior. En este caso específico

se conoce el flujo total de la corriente y la composición molar de la misma, por lo tanto, se

selecciona la opción Total Fluid Flowrate, se introduce el valor de la carga de alimentación y

la composición, verificando que en la parte superior de la columna de composiciones, las

mismas sean molares, y no másicas o volumétricas. A continuación, se muestra la figura 21,

la cual muestra la ventana en la que se introducen los datos anteriores.

Figura 21. Introducción de datos de flujo y composición de la alimentación,


Luego de especificar la corriente de alimentación, el siguiente paso es especificar el equipo.

Para esto, se selecciona el Shortcut; al abrirse la ventana Shortcut Distillation se muestran

algunos campos obligatorios. La primera especificación es Minimun Reflux, al abrir esta

ventana se debe activar la opción Perform Minimun Reflux Calculation, con la finalidad de

introducir los componentes clave del sistema (propano y pentano). La segunda especificación

es el grado de separación deseado, que, según el enunciado del ejercicio, se desea

recuperar en el tope el 98 % de propano y sólo 1 % de pentano. La ventana Specifications

muestra la fórmula que utiliza el simulador para definir las especificaciones del equipo. La

fórmula contempla del lado izquierdo de la ecuación el parámetro a especificar (Parameter), y

del lado derecho el valor de la especificación (Value). Para efectos del ejemplo en cuestión,

la especificación (Parameter) es la recuperación de propano en el tope y la recuperación

implícita de pentano en el fondo, el valor (Value) sería 98 % y 99 %, respectivamente. Para

llevar estas especificaciones al lenguaje del simulador, se debe entrar en la opción

Parameter, que se encuentra en color rojo, en la opción Stream/Unit, se selecciona Stream y

en la opción Stream Name se selecciona S2, seguidamente se activa en la parte inferior el

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parámetro Parameter, al ingresar en dicho parámetro se muestra la ventana representada

por la figura 22, mostrada a continuación:

Figura 22. Selección de los parámetros de especificación, ejemplo práctico N° 1.

Como se observa en la figura, y atendiendo a la definición de recuperación, se ha

seleccionado la opción Flowrate ⇾ Selected Components ⇾ Propane, al cerrar la ventana se

debe seleccionar el operador de división (/) en el signo de igualdad (=), para especificar que

el término inferior de la ecuación corresponde al propano contenido en la alimentación, se

realiza el mismo procedimiento, la diferencia es que en este caso en la opción Stream Name

se selecciona S1. Para realizar la especificación del fondo de la columna se procede de

forma análoga. La idea general es declarar la especificación de que en el tope de la columna

se desea obtener el 98 % del propano contenido en la alimentación, y en el fondo el 99 % del

pentano contenido en la alimentación. En la figura 23 se muestra el resultado de las

especificaciones bajo el procedimiento descrito.

Figura 23. Especificaciones del ejemplo práctico N° 1.

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La tercera especificación lleva el nombre de Products. Al abrir esta opción se observa que el

campo obligatorio es la estimación del flujo de alguna de las corrientes de producto del

Shortcut (S2 o S3). Se escogió realizar la estimación para el flujo de la corriente de tope con

los datos del ejercicio (balance de materia), introduciéndose el valor de S2. En la figura 24 se

observa esta ventana.

Figura 24. Estimado del flujo de la corriente de tope del ejemplo práctico N° 1.

Una vez cubiertas todas las especificaciones de la corriente de alimentación y del Shortcut,

se guarda los cambios, se corre la simulación y se genera el reporte de resultados como se

indicó en el apartado Aspectos Preliminares. A continuación se muestra el modelo de

simulación después de correr.

Figura 25. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 1.

Como se observa, todas las corrientes del proceso se encuentran en color azul, así como el

Shortcut. Esto indica que el simulador halló una solución al problema.

Una de las etapas más importantes de la simulación es la generación, conocimiento, lectura

e interpretación adecuada del reporte de resultados. El mismo contiene una gama de

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información que va desde el historial de cálculos hasta los datos de los componentes y

propiedades de los mismos, como la fase, peso molecular, gravedad °API, factor acéntrico,

temperatura crítica, presión crítica, calor de formación, entre otras propiedades, así como

también se muestran propiedades de las corrientes, como el flujo molar, volumétrico y

másico. Sin embargo, para efectos del ejemplo práctico en cuestión, los resultados de

principal interés son aquellos asociados a los cálculos de Underwood, que son los estimados

iniciales: la relación de reflujo mínimo, la condición térmica de la alimentación y el número

mínimo de platos según Fenske. Estos resultados se observan en la página N°3 del reporte,

titulada “Shortcut Column Summary”, específicamente en la sección Summary of Underwood

Calculations. La siguiente figura muestra esta sección del reporte. Se observa que el

resultado obtenido es 0,47735 para el Rmín.

Figura 26. Reporte de resultados del ejemplo práctico N° 1.

La figura 26 muestra la información más importante aportada por el método simplificado de

estimados iniciales. A través de esta información se puede realizar una simulación con el

método riguroso Distillation. La sección enmarcada en el recuadro inferior muestra el número

de etapas en las que el grado de separación especificado se lleva a cabo, así como el plato

óptimo de alimentación para cada número de etapas, la relación de reflujo y la carga calórica

del condensador y rehervidor. Es de vital importancia acotar que queda de parte del

diseñador del equipo que se debe escoger el número de platos y el plato óptimo de

alimentación en función a la economía, traducida en el requerimiento energético de los

intercambiadores de calor. Es decir, mientras mayor sea el Duty en el rehervidor, debe

utilizarse mayor vapor de agua o agua de calentamiento para satisfacer esta necesidad, y a

mayor Duty en el condensador, debe utilizarse un medio de enfriamiento más potente que

alguna corriente de proceso, agua de enfriamiento o aire, como un refrigerante mixto o, más

costoso aún, un sistema de refrigeración.

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Ejemplo práctico N° 2. Shortcut y Distillation: Determinación del número

mínimo de etapas (Nmín) y localización del plato óptimo de alimentación.

Para el desbutanizador que se muestra en la figura:

a) Estímese el número mínimo de etapas de equilibrio. Supóngase una presión uniforme

de 80 psia (552 kPa) en todo el sistema.

b) Determine la localización del plato óptimo de alimentación, suponiendo que el número

de etapas de equilibrio necesarias es de 18,27.

(Ejemplo 12.2, 12.7, Henley & Seader)

SOLUCIÓN:

Para el caso planteado, como se puede inferir, se debe realizar el Shortcut correspondiente para la determinación de número mínimo de etapas (Nmín). A su vez se debe realizar el módulo de simulación Distillation para realizar el análisis de sensibilidad respectivo con el fin de obtener la localización del plato óptimo de alimentación en función a la economía del proceso. Como la resolución de Shortcut se realiza del modo descrito en la sección de

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Aspectos Preliminares, sólo se mostrará a continuación el conjunto de imágenes que resultan de llevar a cabo el procedimiento anteriormente explicado.

Figura 27. Selección de componentes, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 28. Selección del método termodinámico, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

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Figura 29. Especificación de la corriente de alimentación, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 30. Especificación de los componentes clave, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 31. Especificación de las corrientes de producto, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

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Figura 32. Estimado del flujo de la corriente de tope del ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 33. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

Figura 34. Reporte de resultados, ejemplo práctico N° 2, ítem (a).

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Ítem (b): Distillation

Como se ha mencionado anteriormente, el plato óptimo de alimentación ha de escogerse en

función a la economía del proceso. Para tal acción se debe realizar un análisis de

sensibilidad en el modelo de simulación a través del módulo Distillation, generar el reporte y

observar los resultados de requerimiento energético. A partir de ello, escoger la localización

del plato de alimentación que requiera menor energía en el rehervidor. Sin embargo, a partir

del modelo de destilación de estimados iniciales se puede observar una aproximación del

resultado deseado. En la figura anterior (Figura 34) se puede observar que el menor

requerimiento energético resulta de utilizar 18 platos teóricos para la unidad (los 18,27 platos

teóricos que indica el ítem (b) del ejercicio), resultando el plato óptimo de alimentación, el

número 5. Sin embargo, a continuación se muestra el procedimiento que debe realizarse

para determinar la localización mediante el método riguroso.

El modelo de simulación correspondiente al ítem (b) se puede realizar en el mismo archivo

del ítem (a), por lo tanto, el sistema de unidades, los componentes y el método

termodinámico ya se encuentran definidos. Por lo tanto, se procede a realizar el modelo de

simulación. La figura 35 muestra la localización del módulo Distillation en la PFD Palette.

Figura 35. Selección del módulo Distillation y activación de la opción de líneas de

proceso, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

La figura presentada a continuación muestra el modelo de simulación en el ambiente de

trabajo. Se comienza por introducir la alimentación en la altura media de la columna como

punto de partida para el análisis de sensibilidad y, como se observa en el esquema del

enunciado, la columna posee condensador total y rehervidor parcial.

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Figura 36. Modelo de simulación del ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Al especificar la corriente de alimentación, S4, se comienza a especificar la columna. La

figura 37 muestra la ventana de apertura de la columna. Se observa que tres campos son

obligatorios, el resto son opcionales, para casos especiales o simulaciones especiales, como

columnas empacadas, por ejemplo.

Figura 37. Ventana principal de especificación de la columna de destilación, ejemplo práctico

N° 2, ítem (b).

Al abrir la ventana Pressure Profile, se selecciona la opción Overall en el recuadro Pressure

Specification Mode y se introduce 80 psia en la opción Top Tray Pressure, ya que el

enunciado ha indicado que la presión uniforme es 80 psia.

En la ventana Feeds and Products se introduce el plato de alimentación (actualmente plato

9), y resultado del balance de materia que debe realizarse previo a la simulación. La figura 38

muestra dicha ventana.

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Figura 38. Ventana Feeds and Products, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

En la ventana Performance Specifications se declaran las especificaciones de las corrientes

de producto de la columna. Para tal fin, se debe calcular la recuperación requerida para

obtener la calidad de los productos mostrada en el esquema del enunciado. A partir de esto,

se tiene en la corriente producto de destilado una recuperación del butano alimentado de

98,67 % y en el fondo una recuperación de isopentano de 63,9 %. Estas especificaciones se

realizan siguiendo el mismo procedimiento empleado en el Shortcut del ejemplo práctico N°1.

La ventana que resulta se muestra a continuación.

Figura 39. Ventana de especificación de calidad de los productos, ejemplo práctico N° 2,

ítem (b).

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Cubiertos estos tres aspectos básicos necesarios para la corrida de la simulación, se

guardan los cambios y se corre el modelo. Resultando la imagen mostrada a continuación.

Figura 40. Modelo de simulación luego de la corrida, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Al generar el reporte de resultados, se debe tener especial atención a la página 4, titulada

Column Summary, la cual muestra el requerimiento energético. En la siguiente figura se

muestra la ubicación de estos resultados.

Figura 41. Reporte de resultados, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

Es recomendable, en este punto, realizar una hoja de cálculo en Excel para realizar el

análisis de sensibilidad de forma rápida y efectiva. El análisis consiste en correr el modelo de

simulación varias veces, variando el plato de alimentación, generar el reporte y extraer los

30


resultados de calor en rehervidor y condensador de cada corrida con fines comparativos. De

este procedimiento resulta un resultado similar al mostrado en la figura 42.

Figura 42. Tabla de análisis de sensibilidad para la escogencia del plato óptimo de

alimentación, ejemplo práctico N° 2, ítem (b).

La tabla realizada en Excel de la figura anterior contempla en la primera columna, de

izquierda a derecha, los platos de alimentación en los cuales la simulación corrió, en la

siguiente columna el duty del condensador, a continuación el duty del rehervidor (extraídos

del reporte de resultados) y finalmente el requerimiento energético neto de la columna,

calculado como la suma del consumo de energía en condensador y rehervidor.

El fin práctico de realizar esta tabla es observar numéricamente cómo al escoger un plato de

alimentación más cercano al rehervidor, la energía requerida por el mismo aumenta, lo cual

resulta no factible. Por otro lado, y con el fin de aclarar una terminología errada, se puede

observar que el requerimiento energético neto de la columna es menor al escoger un plato de

alimentación más cercano al rehervidor, por lo tanto, la escogencia del plato óptimo no puede

realizarse en función a este parámetro mal utilizado.

En conclusión, de todas las corridas realizadas, la que da como resultado un menor consumo

energético resulta ser la especificada para el plato de alimentación N°5, requiriendo 9,4836

MM BTU/Hr.

Existen casos en los que el consumo energético en un número de platos de una columna no

presenta una considerable variación, por lo tanto, no puede ser utilizado como criterio de

escogencia para el plato óptimo de alimentación. Para ello, el simulador posee una opción

basada en el grado de separación como criterio de selección. Consiste en una gráfica que

muestra el comportamiento del grado de separación, denominado “S”, en cada uno de los

platos. El punto de mayor inflexión de la curva representa el mayor grado de separación y en

consecuencia el plato en el cual esta separación se alcanza con mayor facilidad.

31


Ejemplo práctico N° 3. Distillation: Dimensionamiento de una columna de

destilación (Diámetro y altura).

El dimensionamiento de una columna de destilación contempla la simulación de la misma a

través del módulo Distillation, los nuevos aspectos que se resaltarán en el siguiente ejercicio

hacen referencia a la lectura de los resultados del dimensionamiento en el reporte de

resultados y algunos parámetros distintos a los ya vistos que se deben introducir al

especificar la columna. Por lo tanto, aspectos como la introducción de los componentes,

definición del sistema métrico utilizado, selección del método termodinámico, y especificación

de la corriente de alimentación y de la columna, no son detallados debido a que se sigue el

mismo procedimiento descrito en los ejemplos 1 y 2.

En el siguiente ejemplo se dimensiona la columna de destilación E-101, perteneciente a la

Unidad Fraccionadora de Nafta de la refinería Puerto La Cruz, PDVSA. En el siguiente grupo

de tablas se muestra toda la información asociada al detalle mecánico de la torre, a las

condiciones de operación de la misma, condición de la alimentación y calidad de los

productos.

Tabla 1. Composición y flujos individuales de la alimentación a la columna E-101.

Compuestos Nafta de alimentación

(Lb-mol/hr)

n-propano 1,7

i-butano 4,01

n-butano 12,39

i-pentano 112,13

n-pentano 210,41

2,2-dimetilbutano 10,71

Ciclopentano 6,22

2,3-dimetilbutano 30,98

2-metilpentano 189,92

3-metilpentano 100,8

n-hexano 208,08

Metilciclopentano 124,12

2,4-dimetilpentano 5,96

Benceno 11,98


Ciclohexano 55,41

2,2,3-trimetilbutano 24,66


1,1-dimetilciclopentano 49,8

3-etilpentano 5,04

n-heptano 30,88

Metilciclohexano 115,1

32


Tabla 2. Propiedades de diseño de la alimentación y productos de la columna E-101.

Tabla 3. Condiciones de presión y temperatura de la columna E-101.

Tabla 4. Descripción mecánica de la columna E-101.

E-101

Zona de enriquecimiento Zona de agotamiento

Número de platos 18 29

Plato de alimentación 19

Tipo de plato Perforado Válvula

2-metilheptano 93,64

3-metilheptano 97,86

Propilciclopentano 45,94

n-octano 291,08

Etilciclohexano 82,44

2-metiloctano 29,9

n-nonano 29,83

Butilciclopentano 67,85

Propilciclohexano 90,22

n-decano 36,03

Butilciclohexano 32,64

Propiedades de los fluidos Carga Nafta

liviana Nafta

pesada

Flujo molar (lb-mol/hr) 2.257,89 1.071,77 1.186,12

Temperatura (ºF) 193 155,4 308,5

Presión (psig) 33 12 23,2

Flujo másico (lb/hr) 220.909 87.159 133.749

Peso molecular 97,8 81,3 112,7

Flujo estándar (MBD) 21,344 8,955 12,388

Gravedad específica estándar 0,709 0,667 0,739

Viscosidad a 100 ºF 0,222 0,194 0,175

Equipo Ubicación Temperatura

de diseño (ºF)

Presión (psig)

Diseño (ΔP)

diseño

E-101

Tope 197 25

10 Entrada 315

30

Fondo 35

33


Diámetro del plato (pie) 10,5

Espaciamiento entre platos (pulg) 24

Número de pasos 2 4

Diámetro de orificio (pulg) 0,5 (*)

Número total de perforaciones 5430 2204

Área perforada por plato (pie2

) 7,404014 -

Material del plato Acero al carbón

Espesor de plato (pulg) 0,104

Bafles No

Ancho del

bajante

(pulg)

Lateral 9 8,5

9 7

Central Entrada 8

Salida 8 5

Espacio libre debajo del bajante (pulg)

2,5

Caja de receso No

Tipo de bajante Cordal Arco modificado

Altura del vertedero (pulg)

Entrada 3

Salida 0

Área de desperdicio (pie2

) 0

Previo a establecer las condiciones de operación de la columna E-101, se debe considerar

que para efectos del módulo de simulación Distillation se requiere el número de etapas

teóricas, y el valor aportado por la hoja de especificación mecánica de la columna (47) es de

diseño, por lo que, el valor teórico es de 40 etapas para una eficiencia de 85 %. La figura 43

muestra la ventana en la que debe ser introducido el valor al acceder a la torre.

Figura 43. Introducción del número de etapas teóricas de la columna E-101, ejemplo práctico

N° 3.

Para este ejemplo práctico se utiliza como especificación de los productos, el peso molecular

de las corrientes de producto de nafta liviana y nafta pesada. Para ello se debe seguir la ruta

Performance Specifications ⇾ Parameter ⇾ Parameter ⇾ Molecular Weight para definir el

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peso molecular como especificación, y la ruta Performance Specifications ⇾ Value para

introducir el valor de dicha especificación. La figura 44 muestra la ventana que resulta de

seguir dichas rutas.

Figura 44. Especificación de la calidad de los productos, ejemplo práctico N° 3.

En la tabla 4 se puede observar que la columna E-101 posee una configuración de platos

distinta para la sección de enriquecimiento y para la de agotamiento en cuanto al número de

platos, tipo de plato y pasos por plato. Para especificar el tipo de platos en cada sección de la

columna y los pasos por cada sección, se debe modificar la configuración hidráulica que

establece el simulador por defecto. Para tal fin se entrar en la opción Tray

Hydraulics/Packing, dentro de la ventana principal de especificaciones de la columna. La

figura 45 muestra esta opción.

Figura 45. Ventana de la columna mostrando la opción Tray Hydraulics/Packing.

35


Como en la columna sólo se presentan dos secciones distintas, se establecerán dos

condiciones para cada tramo de platos. El primer tramo (de la etapa 2 hasta la etapa 15), y el

segundo tramo (de la etapa 16 hasta la 39), tomando en cuenta que el plato de alimentación

se considera en la sección de agotamiento. Para esto, en el campo Starting Tray se introduce

como primer plato la etapa dos, y en el campo Ending Tray como último plato la etapa 15. Se

selecciona como tipo de internos platos en la opción desplegable Internals, y en el campo

Calculations Type se selecciona la opción Sizing, ya que se está dimensionando la columna.

Para las especificaciones de los platos del tramo indicado se accede a la opción Enter Data

en el renglón Calculation Data, se escoge como tipo de plato: perforado, en el campo

desplegable Tray Type y se especifica el número de pasos en la sección de enriquecimiento,

que es de dos, a través de la opción desplegable Number of Flow Paths. Las figuras 46, 47 y

48 muestran el resultado de estos pasos secuenciales para ambas secciones de la columna.

Figura 46. Delimitación y especificación de los internos de las secciones de enriquecimiento

y agotamiento de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Figura 47. Especificación de los internos de la sección de enriquecimiento de la columna E-

101, ejemplo práctico N° 3.

36


Figura 48. Especificación de los internos de la sección de agotamiento de la columna E-101,


Descritas estas acotaciones especiales, se procede a correr el modelo de simulación y

generar el reporte de resultados, verificando con anterioridad que todos los parámetros

especificados tengan congruencia con las tablas suministradas.

Como la columna E-101 tiene dos secciones de platos con diferentes especificaciones de

diseño, cabe esperar que el diámetro en la sección de enriquecimiento sea distinto al de la

sección de agotamiento. Por otro lado, la altura de la columna queda determinada por el

número de platos especificados y el espaciamiento entre platos que da el simulador como

resultado, además de sumar el valor de 4 pies adicionales propuestos por el autor Harry Silla

que representan el equivalente de 2 pies adicionales en el tope y 2 pies adicionales en el

fondo.

En el reporte de resultados, página P-12, en la sección titulada Tray Selection For Tray

Rating, se muestra el resultado del diámetro para cada una se las secciones de la columna.

Se tiene que la sección de enriquecimiento (sección 1) tiene un diámetro de 84 pulgadas y la

sección de agotamiento (sección 2) un diámetro de 108 pulgadas. En la figura 49 se identifica

el resultado mencionado.

Figura 49. Diámetros de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3.

Para determinar el espaciamiento entre los platos, se debe promediar los espaciamientos de

ambas secciones de la columna suministrados por el simulador. Los valores de

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espaciamiento se ubican en las páginas P-12 y P-13 del reporte. La figura 50 muestra la

ubicación de estos datos en el reporte, en la sección Tray Rating At Selected Design Trays.

Figura 50. Espaciamiento entre platos de la columna E-101, ejemplo práctico N° 3

Del promedio del espaciamiento de los platos en la sección de enriquecimiento se tiene un

valor de 28,04 in y de la sección de agotamiento 33,04 in.

La altura de la columna se calcula de siguiente forma:

H= N° de platos de la sección de enriquecimiento * espaciamiento entre platos de la sección

de enriquecimiento + N° de platos de la sección de agotamiento * espaciamiento entre platos

de la sección de agotamiento

La altura total resulta de la suma de la altura obtenida con el número de platos y el

espaciamiento, más 4 Ft (48 in). De este modo, la altura de la columna es de 1228,52 in

(31,20 m).

CASO EXTRA:

Con la finalidad de brindar nociones básicas sobre la especificación de otros tipos de

internos, este caso muestra el proceso de destilación anterior (Ejemplo práctico Nro. 3)

utilizando empaques en toda la columna. Para tal fin se debe acceder a la sección Tray

Hydraulics/Packing (Véase figura 45). En la siguiente figura se muestra la selección de

empaques aleatorios en la columna. Se conservará la opción sizing con la finalidad de

determinar los valores de interés en cuanto a la hidráulica en procesos de destilación

utilizando estos internos.

38


Figura 51. Ventana de hidráulica utilizando como tipo de internos empaques aleatorios

Random Packing.

En la ventana mostrada en la figura anterior es necesaria la introducción del tipo y los datos

mecánicos del empaque a utilizar. Para este caso, fueron tomados Anillos Rasching, sin

embargo, se deberá colocar las especificaciones del proceso que se esté estudiando. En la

siguiente figura se muestra la ventana de la introducción de los datos del empaque.

Figura 52. Ventana de especificación de los datos del empaque seleccionado.

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Una vez realizados los cambios mostrados, se procede a correr la simulación y a generar el

reporte de resultados, en el cual se ubicará el diámetro de la columna y la altura empacada.

La figura siguiente muestra tales resultados.

Figura 53. Resultados hidráulicos de la torre empacada.

La figura anterior muestra los resultados más importantes brindados por el reporte de datos

(Pág. 10) en cuanto al dimensionamiento de una columna empacada. Cabe destacar que

entre los resultados más relevantes figuran el diámetro de la columna Column ID, y la altura

de transferencia de masa (altura del empaque) Packed Height.

Manual Práctico de Destilación en PRO/II

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