Simulacion de Un Tren de Destilacion
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA SIMULACIÓN DE PROCESOS http://blog.utp.edu.co/balances/files/2015/02/LIBRO-BME2015- 1.pdf SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA Se cuenta con mezcla liquida que contiene propano, isobutano, n-butano, isopentano y n-pentano. Se desea separar los primeros tres componentes con una pureza del 99 % empleando dos estrategias de separación, que permitan evaluar la factibilidad mediante la comparación del consumo energético. La mezcla se encuentra a 70 °F y 138 psia y las composiciones se muestran a continuación: Componente Flujo molar [lbmol/hr] Propano 100 Isobutano 300 N-butano 500 Isopentano 400 N-pentano 500 Primera Estrategia La primera estrategia busca separar en la primera columna al propano, los fondos son enviados a una segunda columna donde se separan los butanos de los pentanos, el destilado rico en butano se envía a una tercera columna donde se separa el isobutano del n-butano. En la figura 1 se presenta un esquema del proceso. KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ FEED DIST1 LIQU ID1 C1 DIST2 C2 DIST3 LIQU ID3 C3
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Se desea separar los primeros tres componentes con una pureza del 99 % empleando dos estrategias de separación, que permitan evaluar la factibilidad mediante la comparación del consumo energético. La mezcla se encuentra a 70 °F y 138 psia y las composiciones se muestran a continuación:
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABAMAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA
SIMULACIÓN DE PROCESOS
http://blog.utp.edu.co/balances/files/2015/02/LIBRO-BME2015-1.pdf
SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA
Se cuenta con mezcla liquida que contiene propano, isobutano, n-butano, isopentano y n-pentano. Se desea separar los primeros tres componentes con una pureza del 99 % empleando dos estrategias de separación, que permitan evaluar la factibilidad mediante la comparación del consumo energético. La mezcla se encuentra a 70 °F y 138 psia y las composiciones se muestran a continuación:
Componente Flujo molar [lbmol/hr]
Propano 100Isobutano 300N-butano 500Isopentano 400N-pentano 500
Primera Estrategia
La primera estrategia busca separar en la primera columna al propano, los fondos son enviados a una segunda columna donde se separan los butanos de los pentanos, el destilado rico en butano se envía a una tercera columna donde se separa el isobutano del n-butano. En la figura 1 se presenta un esquema del proceso.
Figura 1. Primera estrategia de separación
KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
FEED
DIST1
LIQUID1
C1
DIST2
LIQUID2
C2
DIST3
LIQUID3
C3
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Columna 1. Para comenzar con la simulación de la primera columna, se empleó el módulo DSTWU, en el cual se estableció un número de etapas de 6, como componentes clave ligero y pesado se seleccionó el propano y el isobutano, respectivamente. Los resultados de la corrida se muestran en la siguiente tabla:
Minimum reflux ratio: 2.7575274Actual reflux ratio: 3.2472235
5Minimum number of stages: 12.409702
8Number of actual stages: 24.819405
6Feed stage: 12.901838
1Number of actual stages above feed: 11.901838
1Reboiler heating required: 11604421.
1Btu/hr
Condenser cooling required: 2878252.09
Btu/hr
Distillate temperature: 78.0954949
F
Bottom temperature: 195.972963
F
Distillate to feed fraction: 0.05694321
Con los resultados obtenidos del número de etapas, etapa de alimentación y la relación de reflujo, se procede a cambiar el módulo de destilación por el RadFrac. Durante la primera corrida los resultados obtenidos en la pureza no fueron los requeridos, por los que se optimizaron los parámetros de la columna, como se muestra en las figuras 2 y 3.
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Figura 2. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 1
Figura 3. Etapa de alimentación para la columna 1
Con estos parámetros optimizados se obtuvo la recuperación requerida e los componentes clave y pesado. En la figura 4 se presentan las fracciones molares de los productos.
Figura 4. Fracciones molares de los productos
Los resultados generales arrojados por el simulador se presentan en la siguiente figura, se observa que se cumple con los requerimientos en la composición del destilado (DIST1).
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Figura 5. Resultados generales de la columna 1
Columna 2. Para la columna 2 se siguió la misma metodología. En el módulo DSTWU se tomó como componente clave ligero al n-butano y como el clave pesado al Isopentano. La recuperación para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuación:
Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
Minimum reflux ratio: 2.01192109Actual reflux ratio: 2.39245818Minimum number of stages: 15.3062582Number of actual stages: 30.6125164Feed stage: 16.0317607Number of actual stages above feed: 15.0317607Reboiler heating required: 21168658.8Condenser cooling required: 20294126Distillate temperature: 160.514781Bottom temperature: 242.417133Distillate to feed fraction: 0.47023125
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Figura 6. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 2
Figura 7. Etapa de alimentación para la columna 2
Bajo las condiciones de operación anteriores se obtuvieron las siguientes fracciones molares en los productos de la columna, estos cumplen con los requerimientos. El 99 % de los butanos se logran separar de la alimentación.
Figura 8. Fracciones molares de los productos
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Figura 9. Resultados generales de la columna 2
Columna 3. Para la columna 3 en el módulo DSTWU se tomó como componente clave ligero al isobutano y como el clave pesado al n-butano. La recuperación para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuación:
Minimum reflux ratio: 10.160907Actual reflux ratio: 11.4620889Minimum number of stages: 40.6199057Number of actual stages: 81.2398114Feed stage: 42.1699713Number of actual stages above feed: 41.1699713Reboiler heating required: 26790697.7 Btu/hrCondenser cooling required: 26766221.9 Btu/hrDistillate temperature: 146.615954 FBottom temperature: 170.193867 FDistillate to feed fraction: 0.37727966
Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
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Figura 10. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 3
Figura 11. Etapa de alimentación para la columna 3
Como se puede observar, se decidió reducir el número de platos para evitar que la columna fuera demasiado alta y aumentar a 15 el reflujo. Esta configuración arrojo los siguientes resultados.
Figura 12. Fracciones molares de los productos
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Figura 13. Resultados generales de la columna 3
Las cantidades del consumo energético (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuación:
C1 C2 C3 TOTAL PARCIAL TOTALREBOILER 15877747 23525832 34152103.8 73,555,682.80
137,481,581.60CONDENSER -7149681.8 -22648799 -34127418 -63,925,898.80
Segunda Estrategia
La segunda estrategia busca separar los componentes en a partir de los fondos de cada columna, es decir, como primer lugar el propano, posteriormente isobutano y finalmente n-butano. En la figura 14 se presenta el esquema de esta estrategia.
FEED
GAS1
LIQUID1
C1
LIQUID2
GAS2
C2
GAS3
LIQUID3
C3
Figura 14. Segunda estrategia de separación
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De la misma forma que en la primera estrategia se emplea el módulo DSTWU para hacer un cálculo aproximado de las condiciones de operación de la primera columna, posteriormente se emplea el módulo RadFrac y se optimizan los parámetros para cumplir los requerimientos. Por lo anterior, solamente se presentan los cálculos para las columnas 3 y 4. Para la columna 2 usando el módulo DSTWU, definiendo como componentes clave ligero y pesado al isobutano y n-butano, respectivamente, con recuperaciones del 0.99 y 0.01. Los resultados son tabulados a continuación:
Minimum reflux ratio: 14.0877844Actual reflux ratio: 15.8383572Minimum number of stages: 45.2373784Number of actual stages: 90.4747568Feed stage: 44.5890381Number of actual stages above feed: 43.5890381Reboiler heating required: 36566974.7 Btu/hrCondenser cooling required: 36264328 Btu/hrDistillate temperature: 146.603349 FBottom temperature: 209.433139 FDistillate to feed fraction: 0.1777406
Empleando el módulo RadFrac, los valores optimizados se muestran en las figuras siguientes.
Figura 15. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 2
Figura 16. Etapa de alimentación para la columna 2
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Con estos parámetros de operación, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 17 se presentan las fracciones molares de los productos.
Figura 17. Fracciones molares de los productos
En esta columna se observa la gran cantidad de etapas que requiere la columna para lograr separar el isobutano, y el alto reflujo que se requiere, esto se refleja en la gran cantidad de energía que se requiere para la operación de esta columna. Por otra parte, el tamaño de una columna de 91 platos podría no ser lo más adecuado.
La figura 17 muestra los resultados generales de la columna 2.
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Figura 18. Resultados generales de la columna 2
Columna 3. La columna 3 recibe los fondos provenientes de la columna 2, se especifica como componente clave ligero al n-butano y clave pesado al isopentano. Los resultados del módulo DSTWU son los siguientes:
Minimum reflux ratio: 3.0336676Actual reflux ratio: 3.5420458
1Minimum number of stages: 15.600308
1Number of actual stages: 31.200616
2Feed stage: 16.485804
1Number of actual stages above feed:
15.4858041
Reboiler heating required: 17958215.1
Btu/hr
Condenser cooling required: 17358231.4
Btu/hr
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SIMULACIÓN DE PROCESOS
Distillate temperature: 170.085886
F
Bottom temperature: 242.457265
F
Distillate to feed fraction: 0.3571006
Empleando posteriormente el módulo RadFrac y optimizando los parámetros para obtener los resultados requeridos.
Figura 19. Etapas totales y relación de reflujo para la columna 3
Figura 20. Etapa de alimentación para la columna 3
Con estos parámetros de operación, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 21 se presentan las fracciones molares de los productos.
Figura 21. Fracciones molares de los productos
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En esta columna se requirió menor número de etapas ya que la diferencia entre los puntos de ebullición del n-butano con respecto al isopentano es mayor que entre los butanos. Se observa una buena separación de los componentes. Por último se presentan los resultados generales para la columna 3 (figura 22).
Figura 22. Resultados generales de la columna 3
Las cantidades del consumo energético (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuación:
C1 C2 C3 TOTAL PARCIAL
TOTAL
REBOILER 15,553,477 40,396,863.50 21,457,909 77,408,250.60145,508,856.90CONDENSE
R-7,151,721 -40,095,355.00 -20,853,530 -68,100,606.30
CONCLUSIÓN
KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
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Ambos métodos o estrategias de separación empleadas permitieron obtener las concentraciones de los productos requeridas, pero se observan diferencias en el consumo energético. La segunda estrategia requiere mayor cantidad de energía en el condensador como en el rehervidor. Por otro lado, la columna de la segunda estrategia requiere un número muy elevado de etapas y el reflujo alto. Por lo que la estrategia mas factible de implementar es la numero 1.
KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ
