PARCIAL PRÁCTICO 2 OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA

Steven Ortiz Narváez, Juliana Upegui Bohórquez, Jhon J. Vera B.

Se requiere separar una mezcla de metilciclohexano, n-pentano, n-octano y n-nonano en una columna de destilación. La tasa de alimentación puede variar entre 300 y 800 kmol/h y su calidad también puede ser variable. Se ha establecido que la alimentación contiene en base molar: 50,0 % de metilciclohexano, 16,0 % de n-pentano, 8,0 % de n-octano y el resto es n-nonano.

1. Siguiendo el algoritmo presentado en la figura 7.16 de la página 265 del texto de Seader J.D., (2006). Separation process principles. Segunda edición, proponga la presión de operación de la columna y el tipo de condensador a utilizar.

Para el diseño preliminar, la presión de operación de la columna y el tipo de condensador se puede establecer siguiendo el procedimiento empleado para la estimación de la presión de Seader y Henley, el cual determina una presión PD en el tambor de reflujo comprendida entre 0 psi a 415 psi (2,86MPa) para una temperatura mínima de 120°F (49°C). Las caídas de presión de la columna y en el condensador no deben superar los 5psi.

Utilizando la composición estimada del destilado, se calcula la presión de burbuja del destilado a 120°F por cálculo iterativo a partir de:

f (φ )=1−∑i=1

c

Z i K i

Este procedimiento conduce a una presión de tambor de reflujo de 18,07psi. Por tanto está indicando un condensador total, debido a que la presión en el condensador es mucho menor a 215psi, se estima una presión en el condensador de 30psi, con ello se estipulan caídas de presión tanto en la columna como en el condensador. Con ello la presión en el rehervidor se estima como:

Phervidor=Pcond+∆ Pcolumna+∆ Pcon

La presión obtenida es de 34,35psi para el rehervidor, asumiendo que la presión en el rehervidor es igual a la presión en la columna se establece un criterio tal que la temperatura de burbuja de los fondos sea menor a la temperatura crítica de los componentes presentes, esta temperatura de burbuja en fondos se asume que no debe ser mayor 469,7 K.

2. Establezca el efecto de la calidad de la alimentación sobre la relación mínima de reflujo, el número mínimo de etapas aplicables para la separación de los componentes según el grado de fraccionamiento que definan en el grupo de trabajo. Establezca por lo menos 5 datos que le permitan analizar y explicar los resultados obtenidos. Sea crítico al determinar sí a través del simulador se puede diferenciar el efecto de la alimentación como líquido subenfriado y saturado o como vapor sobrecalentado y saturado. Justifique su análisis.

Para cada calidad de la alimentación, analice el efecto de la relación de reflujo asumida, también varíe al menos en 5 niveles y analice su efecto en el número de etapas reales y la localización de la etapa de alimentación.

Presente las tablas de resultados de composiciones, Rmin, Nmin, N, NF, Calor en el condensador, calor en el vaporizador, temperaturas de destilado y de fondos para cada condición evaluada. Discuta los valores obtenidos.

Se asumió que el compuesto clave pesado fue el octano, debido a que es el componente con mayor masa, tendiendo a estar en fase líquida y como compuesto clave el metilciclohexano, ya que este compuesto tiene masa molecular intermedia frente a los otros componentes, el cual tiende a estar presente en vapor y líquido; lo anterior se asumió para determinar la volatilidad relativa, para realizar los debidos cálculos. También se asume las fracciones del destilado y de los fondos, esto se realiza debido a que se pretende separar el compuesto más volátil con un grado de separación alto (pentano) en el destilado, al igual que el compuesto más pesado (octano), en el cual se encontrará en mayor proporción en los fondos.

La calidad está definida respecto al balance de masa que se realiza en la etapa de alimentación definida como q= LF/F, de esto dependerá de cómo la alimentación modifica la pendiente en la alimentación, análogamente entre la intersección de la línea de operación superior e inferior. si se altera la relación de reflujo, cambiamos los puntos de intersección entre la línea de operación superior e inferior, modificando la ubicación del plato de alimentación, este efecto se observa

comparando una calidad de 0,8 contra una de 0,6 donde los reflujos externos fueron aumentado desde 1 hasta 1,24. La tabla 1, muestra la variación de reflujo de 1,05 hasta 1,25 en las diferentes calidades.

Tabla 1. Parte superior se utiliza una calidad de 0,8, en la parte inferior se utiliza una calidad de 0,6

En la tabla 1, el incremento de la relación de reflujo afecta el punto óptimo de alimentación que es el que permite una determinada separación con el menor número de etapas, este aumento en el reflujo conduce a la etapa óptima de alimentación hacia el número de etapas mínimas con reflujo total como se muestra en la tabla 2, donde el plato de alimentación tiende a tener el mismo valor al número mínimo de etapas.

Si se presenta un incremento en el reflujo, el número de etapas reales comienzan a disminuir proporcionalmente en las dos calidades de alimentación analizadas, si se observa a una calidad de 0,8 con reflujo externo de 1.05, se puede determinar que el número de etapas reales es de 36, mientras si se analiza con un reflujo de 1.2 se obtendrán 29 etapas reales, de la misma manera sucede con una calidad de 0.6, en el cual si se hace un aumento al reflujo externo, el número de etapas reales tiende a disminuir, a su vez la línea de operación inferior dependerá del reflujo, las composiciones en destilados y fondos, y de la calidad. Por otra parte también se puede concluir que al disminuir la calidad en la alimentación tiende aumentar el reflujo mínimo, por ende tiende aumentar el número mínimo de etapas, el cual indica el máximo grado de separación posible en la columna de destilación.

En el análisis con reflujo total se puede decir que todo el vapor se va a reflujo, por lo tanto las dos líneas de operación superior e inferior mantienen la misma pendiente. En la tabla 2 se muestra que, a medida que la calidad disminuye, el número de etapas mínimas para una separación, no presenta un cambio significativo, se puede decir que el número de etapas es de 28 para una variación de la calidad entre 0 y 1.

Tabla 2. Separación máxima que puede obtenerse con determinada cantidad de etapas.

Como todo el líquido que sale de la etapa 1 se vaporiza y retorna a la misma como vapor, dependiendo del reflujo externo y de su calidad, la energía que retira el condensador es mayor a medida en que se aumenta el reflujo e igual cuando la calidad comienza a decrecer, es decir, como llega más vapor al condensador este requiere retirar mayor energía para obtener un cambio de fase, también las propiedades termodinámicas de los compuestos presentes en la etapa del condensador afectan esta relación. Por otro lado si se analiza el flujo de calor del vaporizador este tiende a disminuir si, la calidad de la alimentación disminuye, como se puede observar en la tabla 3, con una calidad de 0,2 se obtendrá una fracción vaporizada de 0.8 por lo tanto se necesita menor cantidad de energía, debido a que hay mayor arrastre hacia la fase de vapor, que opera en la línea superior. Respecto al reflujo externo si presenta aumentos, el vaporizador requerirá de mayor energía, debido a que el condensador esta retirando una mayor energía y a la vez esta suministrando un mayor reflujo a la etapa, dependiendo si el condensador es total o parcial, para poder equilibrar las etapas, el vaporizador empleará mayor energía para satisfacer el grado de separación.

Tabla 3. Cambios de energía a diferentes calidades

3. Modifique la presión de operación a un nivel superior y/o inferior respecto al definido en el numeral a y evalúe sí es posible obtener el mismo grado de separación. Analice qué parámetros se modifican y cuáles no. Explique el comportamiento de las variables.

Se variaron las presiones de operación en la torre de destilado a 1, 2, 4 atmosferas y se mantuvo constante la calidad de 0.5. Como resultado se obtuvo que las variables que cambiaron fueron el número mínimo de etapas, el reflujo mínimo, el número de etapas reales, el plato de alimentación, el flujo de calor para el condensador y rehervidor, al igual que las temperaturas de destilado y de fondos, esto cambio debido a que la temperatura es proporcional a la presión de operación, también se obtuvieron resultados diferentes, ya que el número mínimo de reflujo depende del coeficiente de reparto, el cual depende de la presión de saturación de cada componente y la presión de operación de la torre. Por otro lado los parámetros que no se modifican son las composiciones de destilado y fondos al igual que los flujos de destilados y fondos.

Factores que determinan la operación de separación:

Razón de reflujo externo, a mayor relación de reflujo, mayor grado de separación y menor cantidad de producto destilado. A la hora de seleccionar la presión de operación de la columna hay que tener en cuenta que, en general, un aumento de la presión de operación de la columna tiene los siguientes efectos desfavorables [2]

1. La volatilidad relativa disminuye y por tanto aumenta la dificultad de la separación: aumentan los requerimientos de número de pisos, reflujo y consumo en el condensador y en la caldera.

2. Hace aumentar la temperatura de la columna: aumentan las reacciones de degradación química, polimerización, etc.

3. Para presiones manométricas por encima de 6-7 atm, hay que aumentar el espesor del material de la columna, y por tanto aumenta el coste del inmovilizado. Este factor no es importante a presiones inferiores.

4. Aumenta la temperatura en la caldera y por tanto se requiere un medio de calefacción más caro (o incluso inexistente). Para el mismo agente de calefacción, aumenta el área de intercambio de calor.

5. Para separaciones superatmosféricas, las fugas son mayores, y aumenta el peligro potencial en el caso de usar materiales tóxicos o inflamables.

Referencia

[1] Wankat P. (2008). Ingeniería de Procesos de separación Segunda Edición. México. Editorial Pearson.

[2]http://iq.ua.es/MetAprox/33_seleccin_de_la_presin_de_operacin_y_del_tipo_de_condensador.html