PROCEDIMIENTO BASICO Y CRITERIOS DE DISEÑO PARA UNA TORRE DE DESTILACION MULTICOMPONENTE

Andre Figueroa (20112084F), Romel Urbay (20112070E), Jorge Castillo (20114098D), NenilEscuela de Ingeniería Petroquímica, FIP-UNI.

Proyecto de Inversión, 25 de Septiembre del 2015andrefigueroaflores@gmail.com;

Resumen: El presente trabajo desarrollará un análisis teórico de los puntos principales en la elaboración de una torre de destilación, los cuales nos brindaran una mejor visión en la construcción de la torre de destilación. Se tomara ciertas partes específicas de la torre ya que son las más especificadas en la construcción de una torre.Abstract: This work developed a theoretical analysis of the main points in the development of a distillation tower, which provide us with a better insight into the construction of the distillation tower. Specific parts of the tower was taken because they are the most specified in the construction of a tower.

1. INTRODUCCIÓNPara analizar o diseñar una torre de destilación existen varios métodos, y se clasifican en métodos gráficos, métodos cortos y métodos rigurososEn los métodos gráficos, sólo es posible el análisis de una torre de destilación con una mezcla binaria, y sólo son útiles para un diseño muy preliminar. Los métodos gráficos más empleados son McCabe-Thiele y Ponchon-Savarit. El primero emplea un diagrama de fracciones mol en líquido y vapor para el análisis, mientras que el segundo utiliza un diagrama entalpía contra fracción mol a presión constanteLos métodos cortos emplean ecuaciones que relacionan los parámetros importantes en la torre, sin integrar métodos de predicción de propiedades en sus cálculos, y son aplicables a destilación multicomponente. Algunos de estos métodos son Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) y Edminster.Los métodos rigurosos involucran modelos matemáticos de predicción de propiedades en sus cálculos para obtener los parámetros de la torre. Este tipo de métodos son bastante complejos, de tal manera que ya se encuentran programados en simuladores de procesos. Estos métodos son cada vez más usados dada su exactitud y también a que, si bien las desventajas son su laboriosidad y prolongado tiempo de cálculo, los programas computacionales ahora dejan de lado estos aspectos. Algunos ejemplos de estos métodos son: punto de burbuja, corrección simultánea e inside-out

2.- PROCEDIMIENTOProcedimiento básicoEl proceso de separación por destilación es probablemente uno de los más antiguos en la industria química y sus aplicaciones van desde la rectificación del alcohol hasta el fraccionamiento del petróleo crudo.El diseño de columnas de destilación se puede dividir en las siguientes etapas:

1. Especificación del grado de separación requerida.

2. Selección de las condiciones de operación tales como la presión (la operación puede ser un bath o continuo).

3. Selección del tipo de dispositivo de contacto, platos o empaque.

4. Determinación de las etapas y requerimientos de reflujo (número de etapas de equilibrio)

5. Tamaño de la columna, diámetro y número de etapas reales.

6. Diseño de los interno de la columna, platos, distribuidores, soportes de empaques.

7. Diseño mecánico.

Fig1. Bosquejo de una Columna de Destilación

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE TORRE DE PLATOSEntrada y salidas

1. La velocidad en las boquillas de entrada a una torre no debe exceder 3 pies/s cuando el alimento es líquido.

2. Cuando el alimento contiene vapor, debe incrementarse el espaciamiento entre platos. Un incremento entre 6 y 12 pulg es satisfactorio.

3. La entrada de alimento (vapor o mezcla) en el fondo de una torre, o el retorno de ebulliciones, debe localizarse como mínimo 12 pulg por encima del máximo nivel del líquido en el fondo.

4. El tiempo mínimo de residencia en la vasija del fondo se establece mediante la tabla 1

del artículo: Outlets and internal devices for destillation columns de kister.

Manholes1. Debe hacerse un manhole por cada 10 a 20

platos.2. Se recomienda diámetros de manhole en el

rango de 16 a 24 pulgadas.3. Se recomienda hacer un manhole encima

del plato de alimentación.4. La orientación de todos los manholes debe

ser la misma. Es preferible que se ubiquen por el lado principal de la torre.

5. El espaciamiento mínimo entre platos donde localiza un manhole debe ser de 24 pulgadas.

6. Los conductos o pasos de hombre en un plato son normalmente rectangulares, con los lados de longitud mínimo de 14”. Algunos autores recomiendan como mínimo 18 por 16” y otros 12 por 16.

Soportes de platos1. Las vigas soporte principales de un plato

generalmente tienen un ancho de 1.5 pulgadas y un largo máximo de 14 pulgadas. La distancia mínima al plato inferior debe ser de 14 pulgadas.

2. Las vigas principales deben orientarse en la misma dirección del flujo de líquido en el plato.

3. Las vigas menores o secundarias se orientan normales a la dirección del flujo de líquido.

4. El área de soportes del plato alcanza el 15% del área seccional total.

5. Entre el plato y la periferia interna de la camisa se recomienda una claridad de 0.5” por cada 10 pies de diámetro.

Espesor del plato y otros1. El espesor mínimo recomendado para

materiales con excelente resistencia a la corrosión es calibre 14 y calibre 10 para materiales de construcción comunes.

2. Espesores mínimos recomendable para otros elementos internos: vigas, soportes, barras de bajantes (véase el articulo Siene-tray desing de chase).

3. El espesor normal en platos de acero al carbón es 3/16” pulgadas y para acero inoxidable es calibre 12 (véase límites de t/d, espesor de diámetro de perforaciones, en el artículo chemical engineering de coulson).

Fig2.Partes de un plato

Incremento en la rata de flujo de liquido

Incr

emen

toe n

l ar a

t ade

vapo

r

Incremento en la rata de flujo de liquido

Incr

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Fig3.Diagrama del Desempeño típico de los platos.

Fig4. Campanas de burbujeo.Diámetro de la torrePuede variar entre 2 y24 pies, aunque se han construido torres con diámetros de 50 pies.

Fig5. Criterio general de la cantidad de platos en una columna de destilación.

CRITERIOS DE DISEÑO PARA COLUMNAS EMPACADASLas columnas empacadas se usan para destilación, absorción de gases y extracción liquido-liquido.Criterios de elección para torres de platos o empacadasSe puede hacer la elección entre una columna empacada o de platos con completa seguridad por medio de una análisis de costos. Sin embargo, no siempre será útil o necesario y generalmente se puede hacer la selección basándose en la experiencia, considerando las principales ventajas y desventajas de cada tipo, las cuales se enlistan a continuación:1. Las columnas de platos se puede diseñar

para manejar rangos más amplios de flujos de gas y líquido que las columnas empacadas.

2. Las columnas empacadas no son apropiadas para velocidades de líquido muy bajas.

3. La eficiencia de un plato se puede predecir con más certeza que el termino equivalente para un empaque (HETP, height equivalente to theoretical plate, o HTU, height of transfer unit).

4. Las columnas de platos se pueden diseñar con más garantías que las columnas empacadas. Siempre hay alguna duda de que tan buena pueda ser la distribución del líquido bajo todas las condiciones de operación, particularmente en columnas grandes.

5. Es más fácil proporcionar enfriamiento a una columna de platos; las espirales pueden ser instaladas en los platos.

6. Es más fácil adecuar corrientes laterales en una columna de platos.

7. Si el líquido genera residuos o corriente solido es más fácil limpiar en una columna de platos. Se pueden instalar manway en los platos. Con diámetros de columnas pequeños es más barato usar torres empacadas y reemplazar el empaque cuando este sucio.

8. Para líquidos corrosivos generalmente es más barata una columna empacada que la columna de platos equivalente.

9. La retención del líquido es apreciablemente más baja en columnas empacadas que en columnas de platos. Esto puede ser importante cuando el inventario de líquidos tóxicos o inflamables necesite mantenerse en niveles tan bajos como sea posible.

10. Las columnas empacadas son más apropiadas para manejar sistemas espumosos.

11. La caída de presión por etapa de equilibrio puede ser más baja para torres empacadas que para torres de platos y el empaque debería considerarse para columnas de vacío.

12. La torre empacada debería considerarse siempre para columnas con diámetro pequeño, es decir, menor de 0.6 m, en don podría ser difícil y costoso instalar los platos.

Fig6. Platos con Copa

Fig7.Platos con válvula móviles.

Fig8.Platos con válvula fija.

Fig9.Eficiencia por cada tipo de plato en la columna

Tipo de empaque

Los anillos rashing son más baratos por unidad de volumen que los anillos pall, o las sillas, pero son menos eficientes y el costo total de la columna generalmente será más alto si se especifican anillos Rasching. Para columnas nuevas la elección normalmente estará entre anillos Pall y sillas Berl o Intalox.Tamaño del empaqueEn general, se debería usar el tamaño más grande de empaque que es apropiado para el tamaño de la columna, hasta 50 mm. Los tamaños pequeños son apreciablemente más caros que los tamaños grandes. Por encima de 50 mm el costo más bajo por metro cubico normalmente no compensa la menor eficiencia de transferencia de masa. El uso de un tamaño demasiado grande en una columna pequeña puede causar una distribución pobre del líquido. Los rangos de tamaños recomendados se indican en la tabla 1.Tabla 1. Rangos de tamaños recomendados para empaques.

Diámetro de la columna

Tamaño de empaque

< 0.3 m <25 mm0.3 a 0.9 m 25 a 28 mm>0.9 m 50 a 75 mm

Distribuidores de líquido1. Se debe ubicar un distribuidor de líquido (o

redistribuidores de líquido) en las partes de la columna donde se introduzca una corriente liquida.

2. Se recomienda mantener puntos de irrigación distribuidos radialmente para contrarrestar la tendencia del líquido a fluir hacia las paredes.

3. Los puntos de goteos deben ser igualmente dispersados. Puede resultar una mala distribución cuando el distribuido proporciona más liquido por unidad de área a algunas regiones centrales que a regiones periféricas. Se recomienda un mínimo de cuatro puntos de goteo por pie cuadrado de sección transversal de lecho empacado.

4. El distribuido debería estar localizado al menos de 6 a 12” por encima del empaque, para permitir el desenganche del valor desde el lecho antes de pasar a través del distribuidor. Para distribuidores spray se

recomiendan distancias mayores (al menos de 18 a 24”)

5. Se deben evitar perforaciones con diámetros inferiores a ¼ de pulgada para prevenir taponamiento, se prefieren perforaciones de 0.5”. si el servicio es perfectamente limpio y no corrosivo algunos diseñadores usan huecos tan pequeños como 1/8 pulgada.

Entradas de líquido a los distribuidores1. Las velocidades en la tubería no deberían

exceder los 10 pies/s aunque preferiblemente la velocidad debería ser menor de 4 pies/s.

2. Cuando la tubería alimenta directamente el distribuidor el líquido debería ser alimentado al centro del distribuidor para asegurar uniformidad sobre todos los orificios.

Se recomienda localizar la tubería entre 2 y 8” por encima del eje del distribuidor.Redistribuidores de líquidos

1. Los redistribuidores de líquido se usan cuando se introduce un alimento líquido intermedio en una columna empacada y entre secciones empacadas.

2. Se recomienda ubicar los redistribuidores cada 30 o 40 pies, pero en ocasiones no se puede predecir la mala distribución y su efecto en a eficiencia de la columna, por esto muchos diseñadores recomiendan 20 pies aproximadamente, o cinco veces el diámetro de la torre, según el que sea menor.

Algunos autores recomiendan para empaques de alta eficiencia (HETP < 2pies)Realizar la redistribución en intervalos que no excedan 10 platos teóricos. Para torres pequeñas (menos de 2 pies de diámetro), la información de un excesivo flujo en la pared crea un problema mayor y se recomienda redistribuir en intervalos que no excedan días veces el diámetro de la torre. Con empaques plásticos se recomiendan profundidades que no excedan 15 pies para evitar la compresión de las partículas empacadas.

3. En columnas muy grandes (mayores de 20 pies), puede no ser suficiente un redistribuidor de líquido para mezclar el líquido adecuadamente. En estos casos se puede mejorar la mezcla adicionando un colector liquido desde el cual se alimenta el líquido al redistribuidor.

Distribuidores de vapor

1. Los dispositivos de distribución de vapor se ubican típicamente en o por encima de un alimento de vapor, entre un plato y una sección empacada, o por encima de la sección de transición donde el diámetro cambia. Son comunes los siguientes dispositivos: tuberías de roció, distribuidores de vapor, soportes de distribución de vapor.

2. Se deben instalar distribuidores de vapor cuando este lleve alta velocidad, cuando su flujo no se distribuya uniformemente hacia el lecho empacado y en general, cuando la cabeza de velocidad de dicho vapor sin distribución uniforme (por ejemplo, vapor en la boquilla de entrada) sea del mismo orden de la caída de presión del lecho empacado por encima. Cuando esta cabeza de velocidad sea menor que un décimo de la caída de presión del lecho, es más viable usar un distribuidor de vapor.

4. CONCLUSIONES

La selección del material de empaque se basa principalmente en la resistencia a la corrosión

El uso de empaques de cerámica se ha visto reducido desde el advenimiento de los empaques plásticos. Comparados con los plásticos, los empaques cerámicos son frágiles, tienen menor capacidad y no están disponibles en muchas de las formas más usadas.

En general, los empaques estructurados muestran ventajas en capacidad y eficiencia comparadas con empaques desordenados, cuando son operados a cargas líquidas menores. Sin embargo, los empaques estructurados no deberían ser usados en servicios donde la presión de operación sea mayor de 100 a 200 psia.

La herramienta de diseño más adecuada para dimensionar columnas empacadas es la interpolación de datos experimentales. Sin embargo, el diseñador se encuentra con frecuencia en la situación de no poseer tal

información para un servicio particular. Ante esta circunstancia, la única opción posible es el uso de correlaciones de diseño. Es importante reconocer que trabajar con una sola correlación de diseño de torres empacadas no es suficiente, puesto que un problema frecuente es la incertidumbre de que la correlación seleccionada proporcione una predicción adecuada para el servicio en consideración, ya que sus limitaciones son a menudo desconocidas, y si son conocidas, rara vez son reportadas. A continuación se expondrán las correlaciones más usadas en la actualidad.

Normalmente, se recomienda diseñar torres empacadas con un margen del 10 al 20% del MOC. Puesto que la MOC esta usualmente 5% por debajo del punto de inundación, este criterio equivale a diseñar de un 76 a 86% de la velocidad de inundación, que es por lo tanto menos conservador que el criterio del factor de inundación.

5. RECOMENDACIONES

Los distribuidores de TP. son adecuados para líquido solamente, y deben ser evitados cuando hay presencia de vapor.

Se recomienda generalmente que estén localizados de 150 a 200 mm. (6 a 8 plg.) por encima del plato de retención, para permitir la separación del vapor del lecho antes de que pase a través del distribuidor.

La velocidad del líquido en las perforaciones no debe exceder de 1.2 a 1.8 m/s (4 a 6 pie/s), y se debe evitar una alta caída de presión a través del distribuidor, puesto que esto pudiera restringir el número de puntos de goteo.

Los distribuidores de TP. deben ser evitados en servicios donde pueda ocurrir taponamiento, tales como cuando hay sólidos presentes, o cuando el líquido esta cerca de su punto de congelación. Tampoco deberían ser usados cuando el líquido pueda corroer, erosionar o expandir los orificios de otra manera, puesto que algunos orificios

pudieran expandirse más que otros, causando mala distribución.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Frank Kreith , Principios de tranferencia de calor , sexta edición , paginas 494-497 y 663.

Yunus Cengel . Transferencia de calor , paginas :477(Tabla 8-4) ,591

I.Q. Salvador Aguirre Robles, Tesis de Maestria: “Diseño De La Operación Y El Control Para Columnas De Destilación Binarias Por Lotes”

PDVSA: Manual de diseño de proceso: Torres de fraccionamiento: “TORRES DE DESTILACION EMPACADAS”

APV distillation HandBook Third Edition.