23. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ACIDA

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1 23. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ACIDA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación rigurosa 1.2. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de libertad 1.3. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del HYSYS 2. INTRODUCCION Una columna de destilación requiere, además de su alimentación, de la instalación de un rehervidor y un condensador. En el rehervidor se suministre el calor requerido para producir el vapor que sube a lo largo de la columna y en el condensador se extrae el calor necesario para que el vapor que emerge por el tope sea condensado. HYSYS dispone de tres columnas de destilación rigurosa con rehervidor parcial que se diferencian en el tipo de condensador. En una columna de destilación con condensador total, el vapor de tope se transforma completamente en líquido en su punto de burbuja y este, a su vez, se divide en dos fracciones de reflujo y destilado parte de este es recirculado a la columna y la otra parte es recogida como el destilado En una columna de destilación con condensador parcial, el vapor de tope se condensa parcialmente en dos fases líquido-vapor en equilibrio. La fracción condensada, a su vez es dividida en reflujo y destilado. Si el condensador es parcial con reflujo total todo el condensado es recirculado a la columna Para C componentes y N etapas de equilibrio, un análisis de variables de diseño para cualquiera de estos tres tipos de columnas da un total de grados de libertad, G, de N e i = C + 2 N +11 (23.1) Si se especifica completamente la corriente de alimentación, los grados de libertad disminuyen en C + 2 y, por lo tanto, son de 2 +9 = N N e i (23.2)

2 HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de columnas de destilación, 2N variables como, por ejemplo, las presiones y las temperaturas en cada una de las etapas y, por lo tanto, los grados de libertad se reduce a nueve. Las especificaciones que, usualmente, se emplean o que se requieren en una simulación en HYSYS son la condición de un reflujo total de condensado o Full Reflux, el número de etapas, el número de la etapa de alimentación, la presión y la caída de presión en el condensador y en el rehervidor y dos adicionales asignadas por el diseñador 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua que contiene ácido sulfhídrico y amoníaco se precalienta mediante el calor transferido por una corriente que proviene de los fondos de una columna de destilación. La corriente de agua ácida caliente se destila a unas condiciones tales que el producto de fondo es agua del % mol pura y es recogida como el producto del tratamiento después de su utilización como fluido caliente en el pre-calentador. El vapor que emerge de la columna de destilación es una mezcla de vapor de agua concentrado en los otros dos componentes que deberá determinarse si se sigue tratando o se aprovecha, pero en esta simulación se deja como el otro efluente del proceso. El diagrama de flujo descrito y observado en la Figura 1 es un ejemplo de la integración energética posible en un proceso, que permita la minimización de servicios energéticos externos y, por lo tanto, de los costos operativos aprovechando el contenido calórico de los fondos de la columna de destilación. Figura 1. Diagrama de flujo de la columna despojadora 148

3 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades: Sour Peng-Robinson H 2 S, NH 3 y agua. Field 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente con el nombre Alimento y las siguientes especificaciones: Temperatura 100 F Presión 40 psia Flujo volumétrico líquido barrel/day Composición (Fracción Másica) H 2 S NH H 2 O Instale un intercambiador de carcasa y tubo con el nombre E-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Tube Side Inlet Tube Side Outlet Shell Side Inlet Shell Side Outlet Pestaña Design Tube Side Pressure Drop Shell Side Pressure Drop Model Página Connections Alimento Entradacolumna Fondos Producto Página Parameters 10 psi 10 psi Weighted (Ponderado) 3. Haga doble clic sobre la corriente EntradaColumna para desplegar su ventana de propiedades y especifíquela con una temperatura de 200 F Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente el intercambiador?. Observe la página Specs de la pestaña Design 4. Antes de instalar la columna de destilación, seleccione la opción Preferentes en el menú Tools. En la página Options de la pestaña Simulation asegúrese de que esté verificada la opción Use Input Experts, es decir, el asistente para introducir las especificaciones de una columna de destilación. 149

4 5. Instale una columna de destilación rigurosa haciendo doble clic sobre el icono Distillation Column que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna tendrá tanto un rehervidor en el fondo como un condensador en el tope. 6. La configuración de la columna, introducida a través del asistente, es la siguiente: 6.1 Conexiones (Página 1 de 4) i. Name T-100 ii. No. of Stages 8 iii. Inlet Streams EntradaColumna iv. Inlet Stage 3 v. Condenser Full Reflux vi. Ovhd Vapor Outlets Vapor vii. Bottoms Liquid Outlet Fondos viii. Reboiler Energy Stream Qr ix. Condenser Energy Stream Qc 6.2 Perfil de Presiones (Página 2 de 4) 6.3 Página 4 1. Condenser Pressure 28.7 psia 2. Reboiler Pressure 32.7 psia Presione el botón Done para desplegar la ventana de propiedades de la columna T-100 y su banda roja indica que no se ha especificado completamente y, por lo tanto, la simulación no ha convergido. Observe la Figura 2 Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente la columna de destilación?. Observe la página Specs de la pestaña Design 6.4 Especificaciones adicionales: En la página Specs de la pestaña Design, presione el botón Add para añadir otras especificaciones con las cuales completar los grados de libertad faltantes y hacer que la simulación converja. En la ventana desplegada para la adición de especificaciones titulada Add Specs seleccione la opción Column Component Fraction para especificar una concentración de amoniaco en el fondo líquido. Presione el botón Add Spec(s) y llene la ventana como se observa en la Figura

5 Figura 2. Especificaciones de una columna de destilación Cierre la ventana y repita el procedimiento anterior para agregar una especificación para la relación de reflujo. Si la opción Reflux Ratio se encuentra disponible en el cuadro Column Specifications de la página Specs selecciónela y presione el botón View y llene la ventana desplegada como se observa en la Figura 4. Figura 3. Especificación de la concentración de amoníaco en el rehervidor 151

6 Figura 4. Especificación de la relación de reflujo en el condensador 6.5 Parámetros y activación de las especificaciones añadidas: En la pestaña Parameters de la ventana de propiedades de la columna seleccione la página Solver e introduzca un valor de 0.4 para el factor de amortiguamiento o Fixed Damping Factor con el objeto de acelerar la convergencia de la columna y reducir los efectos de algunas oscilaciones en los cálculos (el valor por defecto es 1.0). Regrese a la pestaña Design y seleccione la página Monitor. En la columna encabezada como Active del cuadro Specifications desactive la especificación Ovhd Vap Rate y active las especificaciones Comp Fraction y Reflux Ratio verificando los cuadros respectivos. Con esto, se completan los grados de libertad y la columna debe converger muy rápidamente, como se observa en la banda verde de la Figura Libro de trabajo del proceso Despliegue el libro de trabajo, Figura 6, del proceso haciendo clic sobre el icono de nombre Workbook que se encuentra en la barra estándar. Observe las condiciones y las composiciones de las corrientes, y note que el producto es agua pura y la integración energética 6.7 Estimativos, dimensionamiento y desempeño de la columna i. Haga clic en la pestaña Parameters de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada sus perfiles de temperatura, presión y flujos; los estimativos de las composiciones y las eficiencias asumidas en cada plato. 152

7 ii. iii. Haga clic sobre la pestaña Rating de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada el dimensionamiento de los platos, de los equipos de transferencia de calor y un perfil de las caídas de presión plato a plato Haga clic sobre la pestaña Performance de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada detalles sobre su desempeño y note el perfil, tanto gráfico como numérico, de algunas propiedades plato a plato Figura 5. Página Monitor de la columna de destilación Estudio de casos: Herramienta Case Study La simulación puede correrse para un intervalo de temperaturas para la corriente Alimento (entre 90 F y 110 F en incrementos de 5 F) cambiando la temperatura especificada para la corriente Alimento en la hoja de trabajo. Se pueden automatizar estos cambios utilizando la herramienta Case Study en la opción Databook del menú Tools e introduciendo las variables mostradas en la pestaña Variables Case Object Variables Variable Description Qc Heat Flow Cooling Water Qr Heat Flow Steam Alimento Temperature Temperature 153

8 T-100 Main TS Stage Liq Net Mass Flow (2_Main TS) Liq MF Tray 2 Main TS Stage Liq Net Mass Flow (7_Main TS) Liq MF Tray 7 Main TS Stage Vap Net Mass Flow (2_Main TS) Vap MF Tray 2 Main TS Stage Vap Net Mass Flow (7_Main TS) Vap MF Tray 7 Figura 6. Libro de trabajo Haga clic sobre la pestaña Case Studies, presione el botón Add que está en el grupo Available Case Studies para crear el caso de estudio 1 (Case Study 1), verifique la temperatura de Alimento como la variable independiente y las restantes variables como dependientes. Para automatizar el estudio despliegue la pestaña Case Studies y presione el botón View y en la página Independent Variables Setup introduzca los valores 90 F (Low Bound), 110 F (High Bound) y 5 F (Step Size) para la variable independiente. Para empezar el estudio, presione el botón Start. Presione el botón Results para observar los resultados de las variables. Si los resultados aparecen en forma gráfica, se debe seleccionar el radio botón Table en la ventana de Case Studies para observar los resultados tabulados en forma numérica 154