Conservación de energía y eficacia termodinámica

Refrigerante

Aire

295

(de la Fig. 17.9)

T

Aire

Figura 17.8 Destilación convencional a baja temperatura para la separación del sistema

quemas básicos propuestos por Null. En todos ellos se utiliza una válvula de expan-sión y un compresor para modificar las temperaturas de condensación ebulli-ción, de forma que el calor liberado en el condensador puede utilizarse para sumi-nistrar el calor que se requiere en el ebullidor. Aunque no se muestran en la Fig.17.10, cuando los servicios del condensador y el ebullidor no se igualan pueden ne-cesitarse condensadores o ebullidores auxiliares.

Conservación de energía y eficacia termodinámica

Alimentación

Compresor

Interenfriador Compresor 2

Tanque de

Sistema de alimentación para separación de propileno-propano por destilación a 100

En el esquema más sencillo se utiliza un refrigerante externo en ciclo cerradocon el condensador de cabeza y el ebullidor de cola. El primero de ellos es el evapo-rador del refrigerante y el segundo el condensador del mismo. En la Fig. 17. ll se mues-tra la aplicación del esquema al problema de separación de propileno-propano de laFig. 17.2. El propano se utiliza como refrigerante externo. Evaporándolo a 35°F ycondensándolo a 110°F se equilibran exactamente los servicios necesarios del con-densador parcial y el ebullidor total. Así, en vez de agua de refrigeración y vapor, serequieren 1 572 hp (suponiendo compresión isentrópica del refrigerante).

Cuando el destilado es un buen refrigerante se puede utilizar el esquema de laFig. El vapor de cabeza de la columna se comprime de forma que su tempe-ratura de condensación es superiora la temperatura de ebullición del producto de co-las de la columna. El calor liberado en la condensación del vapor de cabeza de la co-lumna puede entonces utilizarse en el calderín de ebullición. El condensado que saledel calderín de ebullición se somete a flash a través de una válvula de expansión has-ta la presión de cabeza de la columna para proporcionar el reflujo y el producto des-tilado. El exceso de vapor se recircula al compresor. Este esquema se conoce gene-ralmente como recompresión de vapor, y su aplicación a la separación depropano se muestra en la Fig. 17.12, donde el vapor de cabeza, que se comprime has-ta 215 resulta insuficiente para suministrar todo el calor necesario en eldor total. En consecuencia, se incorpora un ebullidor auxiliar calentado con vaporde agua.

Cuando el producto de colas es un buen refrigerante, el esquema de la Fig. 17.es un posible candidato para reducir el consumo de energía. El colas se so-mete a flash a través de la válvula de expansión hasta una presión correspondiente

conservación de energía eficacia termodinámica 765

a una temperatura de saturación del destilado. El condensador de cabeza actúa en-tonces también como ebullidor. El vapor producido en el condensador se comprimehasta la presión de cola para su entrada en la columna. La Fig. 17.13 muestra la apli-cación de este esquema al problema de separación del sistema propileno-propano.El líquido de colas se somete a flash hasta 72 para retirar el calor que se requie-re en el condensador. El calor adicional comunicado durante la compresiónpica es insuficiente para compensar la diferencia entre los servicios del condensadory del ebullidor. Por tanto, se necesita un ebullidor auxiliar calentado con vapor.

En la Tabla 17.4 se presenta una comparación de la eficacia termodinámica ylos costes diarios de operación para los esquemas de separación propileno-propanoque se muestran en las Figs. 17.8, 17.9, 17.10, 17.11, 17.12 y 17.13. Como base setoma el uso de vapor de agua a donde se necesita,* los mismos costes de ope-ración utilizados anteriormente para los cálculos de la Tabla 17.3, un coste despre-ciable del aire utilizado en el calentamiento y el ciclo externo de refrigeración de pro-pano que se muestra en la Fig. 17.14, en el que el refrigerante se evapora a 35°F. Estecicla se utiliza en el condensador de la Fig. 17.9 y en el condensador parcial de laFig. 17.8. La mejor eficacia termodinámica se alcanza con el esquema de la bombade calor utilizando un ebullidor con el flash del líquido. La del aun-que baja, es considerablemente mayor que el valor de para el proceso de des-tilación a alta presión de la Fig. 17.5. Los otros dos esquemas de bomba de calor tie-nen eficacias significativamente menores que la mejor eficacia. Los costes diarios deoperación para los tres esquemas de bomba de calor son significativamente menoresque en la destilación convencional a baja temperatura. La disposición de bomba decalor ebullidor con el flash de líquido también conduce al menor coste dia-rio de operación, que a su vez es también significativamente menor que el coste del

de doble efecto que se indica en la Tabla 17.3.

En la destilación convencional solamente se comunica calor en el ebullidor del fon-do de la columna, donde la temperatura es más elevada, y solamente se retira caloren el condensador situado en la parte superior de la columna, donde la temperaturaes baja. A causa de la baja eficacia termodinámica de la destilación convencio-nal, de que los costes de calefacción aumentan con la temperatura y de que los cos-tes de enfriamiento aumentan al disminuir la temperatura, con frecuencia se tomaen consideración el uso de intercondensadores e interebullidores que operan a nive-les intermedios de temperatura, tal como se muestra en la Fig. especialmentecuando existen grandes diferencias de temperatura entre ambos extremos de la co-lumna. Tal como demostraron Petterson y Wells,’ el ahorro en los costes de calefac-ción y refrigeración tienden a compensarse algo con los costes del inmovilizado adicio-nal.* Esta temperatura de película del propano 61°F en los en cuyo caso el vapor deagua puede indirectamente para calentar agua. un de calefacción para los

766 Conservación de energía eficacia

(de la Fig. 17.9)

Aire

Figura 17.11 Destilación a baja temperatura utilizando bomba de calor con refrigerante externo de pro-pano para la separación del sistema propileno-propano.

Se puede conseguir una mejora adicional si se incorpora una bomba de calor en-tre el intercondensador y el interebullidor, tal como ha sido tratado porter’” y se muestra en la Fig. 17.1%. Flower y Jackson indican que la eficacia ter-modinámica de una tal disposición de bombeo de calor se puede mejorar utilizandoun gran número de bombas de calor colocadas, por ejemplo, tal como se muestra enla Fig., 17.16, de forma que se acumule el suministro y retirada de calor en la

Conservación de energía eficacia termodinámica

(de la 17.9)80% de líquido

1,000

Calentador176x

Destilación a baja temperatura utilizando bomba de calor con compresión vapor decabeza para la separación del sistema propileno-propano.

lumna lo más cerca posible a una región próxima al punto de alimentación. Así, lamayor parte del calor se bombea a través de muchas pequeñas diferencias de tempe-ratura, y el reflujo y la ebullición se generan en la región central de la columna. Unmétodo alternativo para generar ebullición y reflujo secundarios, denominado des-tilación ha sido desarrollado y evaluado por Mah, y y fi-gura en una patente de En este esquema, que se muestra en la Fig. 17.17,

r

768 Conservación de energía eficacia

Propileno,

AireCalentador

(de la Fig. 17.9) 36

360

Tanque dereflujo

3omba

parcial20,600

66 °F

Compresor

240

600Propano 95%

Propano 95%2.700 16.7 1 atm

AireCalentador

utilizando de flash del

la sección de rectificación de la columna opera a una presión superior a la de la sec-ción de agotamiento. La diferencia de presión es tal que la temperatura que resultapermite la transmisión de calor entre las parejas de etapas que se deseen en las dossecciones. Como consecuencia de la distribución de manantiales y sumideros de ca-lor a lo largo de la columna, los servicios del condensador de cabeza y el ebullidorde cola se reducen notablemente y se substituyen por etapas intermedias de inter-cambio de calor, de tal forma que el flujo de líquido de reflujo aumenta continua-mente a medida que desciende en la sección de rectificación, y el flujo de vapor au-menta a medida que asciende en la sección de agotamiento. Tomando como base la

proceso

Conservación de energía y termodinámica

Compresor

84 hp para 1 de servicio del evaporador

Condensador1,214 de servicio del evaporador

Figura 17.14 Ciclo externo de refrigeración.

Condensador

Intercondensador

Interebullidor

Vapor

Figura 17.15 Uso de intercondensador e interebullidor. (n) Sin bomba de calor. (b) Con bomba de calor.

Bombasde calor

Figura 17.16 Esquema de múltiple

Sección deagotamiento(baja

Figura 17.17 Destilación SRV.

771

7 7 2 Conservación de energía eficacia

reducción global del servicio necesario, la destilación SRV se presenta como parti-cularmente atractiva para la separación criogénica en productos prácticamente pu-ros de mezclas con temperaturas de ebullición próximas.

Cuando la alimentación que entra en una columna de destilación es un líquidobenfriado existe una gran diferencia de temperatura entre las partes superior einferior de la columna, con frecuencia se utilizan los productos para laalimentación y reducir así el servicio del ebullidor. En la Fig. 17.18 se muestra un ejem-plo de dos columnas de destilación, donde se utilizan tres productos paratar la alimentación de la primera columna.

Tales secuencias de columnas de destilación pueden proporcionar oportunida-des adicionales para conservar la energía mediante intercambio de calor entre el con-densador de una columna y el ebullidor de otra columna. Ejemplos de estos esque-mas y métodos para determinar las secuencias óptimas de integración energética decolumnas de destilación con dos productos se pueden encontrar en Rathore, VanWormer y y en Umeda, y Secuencias conteniendo colum-nas diferentes de las convencionales de dos productos han sido evaluadas porder y

Producto

120°F

Pesadosfinales

Destilación con integración de calor.