ANÁLISIS ECONÓMICO DE UNA SEPARACIÓN MULTICOMPONENTE UTILIZANDO MÉTODOS CORTOS COMO ESTRATEGIA PRELIMINAR PARA UNA SIMULACIÓN RIGUROSA

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1 ANÁLISIS ECONÓMICO DE UNA SEPARACIÓN MULTICOMPONENTE UTILIZANDO MÉTODOS CORTOS COMO ESTRATEGIA PRELIMINAR PARA UNA SIMULACIÓN RIGUROSA Cristian Alarid García b, Marcos Daniel González Llanes b, Jesús Raúl Ortiz del Castillo a *, Oscar Martín Hernández Calderón a a Facultad de Ciencias Químico Biológicas, Universidad Autónoma de Sinaloa Av. De las Américas y Universitarios S/N, Culiacán, Sinaloa, C.P.80010, México; jesusraulortiz@gmail.com b Departamento de Ingeniería Química, Instituto Tecnológico de Celaya, Av. Tecnológico y García Cubas S/N, Celaya, Guanajuato, C.P.38010, México Resumen.- Se propusieron tres casos de estudio a los que se le realizó un análisis económico que involucró los costos de servicios y los costos de equipos. La metodología a seguir se basó en el diseño columnas de destilación convencional y Petlyuk empleando métodos cortos, los cuales proporcionan de una manera rápida los diseños preliminares para logar las separaciones deseadas; para ello, se usaron las ecuaciones de Fenske, Underwood y Gilliland. Posteriormente se realizó una simulación rigurosa con Aspen Plus para la obtención de los consumos energéticos, y de esta manera, proceder al estudio económico. Para mostrar la aplicación de la metodología se trabajó con una mezcla de nueve componentes. Introducción La destilación continúa siendo uno de los procesos de separación de mayor uso dentro de la industria química. Sin embargo, se caracteriza por requerir grandes cantidades de energía en los hervidores. En los últimos 20 años, se han hecho estudios sobre los sistemas de destilación para mejorar su consumo de energía [1]. Se ha demostrado que el sistema denominado Petlyuk puede ahorrar hasta un 30% del costo de energía comparado con los sistemas convencionales [2, 3]. Una de las razones por las que se ha limitado el uso de las columnas térmicamente acopladas es la falta de métodos confiables de diseño. En el presente trabajo se hará uso de las ecuaciones de Fenske, Underwood y Gilliland para el diseño de las columnas de destilación. En el caso del diseño de las columnas Petlyuk se hará uso del método propuesto por Castro y Jiménez [4], el cual está basado en el uso de métodos cortos como una primera aproximación, la cual puede luego validarse mediante simulaciones rigurosas. Se seleccionó una mezcla de hidrocarburos de nueve componentes, con la cual se hicieron diferentes arreglos que involucraran columnas convencionales y columnas Petlyuk. Fundamento Teórico Para este estudio se tomó una mezcla equimolar de nueve componentes. Se utilizaron las ecuaciones de Underwood [5], Fenske [6] y Gilliland [7], con sus respectivas consideraciones, para el diseño preliminar de todas las columnas que se involucran en las diferentes secuencias propuestas. Para el análisis económico se utilizaron los datos de diseño y evaluación económica reportados por Jiménez [8]. Se seleccionaron las secuencias siguientes: secuencia directa (C1), secuencia que minimización de flujos (C2) y una secuencia combinada (C3). El caso C1 es la separación de los nueve componentes mediante una secuencia directa, esto con la finalidad probar la regla heurística que indica que se deben Página 4758

2 favorecer las secuencias que separan los componentes uno por uno en el destilado. Para el caso C2 se utilizó un método rápido para la síntesis de trenes de separación buscando la alternativa que minimizara los flujos de alimentación. Esta función objetivo es parte de un problema de optimización bastante simple, que puede resolverse manualmente por principios como programación dinámica, métodos evolutivos o inclusive mediante simple inspección en algunos casos (Jiménez, 2003). El resultado se muestra en la Figura 1. Figura 1. Secuencia encontrada por el método de minimización de flujos Para el caso C3 se propuso una secuencia que combina columnas convencionales con columnas Petlyuk; para reducir los consumos energéticos, y por ende, los costos de operación. En la Figura 2 se puede observar la secuencia propuesta para este caso. Resultados y Discusión Las condiciones de alimentación problema se muestran en la Tabla 1. Para el diseño de las columnas convencionales se consideró una recuperación del 98% de los componentes claves, una eficiencia promedio de platos del 80%, líquido saturado como condición de alimentación, 8500 horas de operación por año y 10 años de vida del proyecto. La relación de reflujo (R) se fijó en 1.1R min. Para el diseño de las columnas Petlyuk se consideró que las recuperaciones en el domo del prefraccionador fueron 0.95 y 0.05 para f 1 y f 3 respectivamente. La presión de operación de todas las columnas de cada caso se fijó a 300 psia. Los resultados que se obtuvieron para el diseño de las columnas de las diferentes secuencias se utilizaron como una base para una simulación rigurosa, la cual se realizó mediante el simulador comercial ASPEN PLUS. Las propiedades termodinámicas se estimaron utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong. Se trabajó con un flujo total de 1350 kgmol/h. En la Tabla 2 se muestran las propiedades de las columnas para el caso C1. Se observa que las columnas que requieren mayor número de platos para su diseño son las columnas 2, 3 y 5 para la secuencia directa; esto se debe a que las separaciones B/C, C/D y E/F son muy difíciles de llevar a cabo, esto conlleva a utilizar una relación de reflujo considerablemente alta para estas columnas, lo que también trae como consecuencia un alto consumo energético. Los resultados obtenidos para el diseño de las columnas convencionales del caso C2 se muestran en la Tabla 3: El caso C2 se presenta la misma situación que el caso C1; los rompimientos más difíciles son los mismos. Página 4759

3 Figura 2. Secuencia combinada con columnas convencionales y columnas Petlyuk Tabla 1. Especificación de las condiciones de la alimentación Componente i XF i F i /kgmol h - 1 α i/i+1 (A) Propano (B) Isobutano (C) Isobutileno (D) Butano (E) Isopentano (F) Pentano (G) Hexano (H) Heptano (I) Octano Tabla 2. Datos obtenidos mediante métodos cortos para el caso C1 Columna Rompimiento F (kgmol/h) N N F R mín 1 A/BCDEFGHI B/CDEFGHI C/DEFGHI D/EFGHI E/FGHI F/GHI G/HI H/I Tabla 3. Datos mediante métodos cortos para el caso C2 Columna Rompimiento F N N F R mín (kgmol/h) 1 ABCD/EFGHI AB/CD A/B C/D EF/GHI E/F G/HI H/I Página 4760

4 En la Figura 3 se puede observar que la relación de reflujo que se obtiene por métodos cortos es una aproximación muy buena. Esta figura es evidencia de que los diseños por métodos cortos son una excelente aproximación inicial a la simulación rigurosa. Para el diseño de las columnas Petlyuk se especificaron las siguientes composiciones en los productos, para posteriormente diseñarlas por métodos cortos [1]: XD = [0.98, 0.02, 0.00], XS = [0.09, 0.82, 0.09] y XB = [0.00, 0.04, 0.96]. En las Tablas 4, 5 y 6 muestran los resultados preliminares obtenidos para el caso C3. En el caso de las tres columnas principales Petlyuk (Tabla 6), las de mayor número de platos son las que poseen los rompimientos ABC y DEF. Esto se debe a que es en esas columnas donde se encuentran los componentes con menor volatilidad relativa. Figura 3. Comparación de reflujos obtenidos mediante métodos cortos y simulación rigurosa para el caso C1 Tabla 4. Resultados obtenidos mediante métodos cortos para las columnas convencionales del caso C3. Columna Rompimiento F (kgmol/h) N NF Rmín 1 ABC/DEFGHI DEF/GHI Tabla 5. Resultados obtenidos mediante métodos cortos para los prefraccionadores de los sistemas Petlyuk del caso C3. Separación N NF ABC 18 9 DEF GHI Tabla 6. Resultados obtenidos mediante métodos cortos para las columnas principales de los sistemas Petlyuk del caso C3. Separación N Plato de alimentacion/domo Plato de alimentacion/fondo L1 (kgmol/h) V1 (kgmol/h) ABC DEF GHI Página 4761

5 En la Figura 4 podemos observar la comparación entre la relación de reflujo que se obtuvo por métodos cortos y la que se requirió por la simulación rigurosa para llegar a las especificaciones deseadas de las 3 diferentes columnas Petlyuk. Se puede observar que el método corto propuesto por Castro y Jiménez [4] arroja una excelente aproximación inicial para la simulación rigurosa. Debe resaltarse que el número de etapas ideales del prefraccionador y de la columna principal, así como las etapas de alimentación e interconexión entre el prefraccionador y columna principal, no se modificaron. En la Tabla 7 se hace la comparación para cada uno de los casos de los consumos energéticos totales. Mediante esta tabla se puede observar que la que consume menor energía es la del caso C3, ya que es la que contiene las columnas Petlyuk. Si comparamos sólo el caso C1 con el caso C2 nos damos cuenta que el caso C2 consume menos energía, esto se debe a que para el diseño de esta secuencia se utilizó el método de minimización de los flujos de alimentación; donde se había anticipado que este método lograba reducir, de manera significativa, el consumo energético comparada con todas las posibles síntesis de secuencias con columnas puramente convencionales. Figura 4. Comparación de reflujos obtenidos mediante métodos cortos y/o simulación rigurosa para las columnas Petlyuk Tabla 7. Comparación del consumo energético total para cada caso. Caso Q, BTU/h C1 374,710,370.2 C2 359,313,079.9 C3 309,432,207 Después de haber obtenido los consumos energéticos para todos los casos se procedió a hacer la evaluación económica, considerando tanto los costos de los servicios como los costos de instalación de los equipos. Para ello fue necesario recurrir a los datos de diseño y evaluación económica reportados por Jiménez (2003). Se observa en la Tabla 8 que el caso C3 tiene un menor costo total anual. Lo que comprueba que, efectivamente, al existir un menor consumo energético existe un menor costo total anual. Página 4762

6 Tabla 8. Comparación de los costos totales. Caso Costo, $/Año C1 3,624, C2 3,578, C3 2,774, Conclusiones Se comprobó que los métodos cortos proporcionan de una manera rápida las características físicas para el diseño de las columnas de destilación convencional y columnas Petlyuk. Asimismo, proporcionan una buena base para las aproximaciones iniciales de una simulación rigurosa. En el diseño de las columnas de destilación se pudo apreciar que existen torres con elevado número de platos; esto se debe a las bajas volatilidades relativas entre algunos de los componentes claves. La secuencia del caso C3 tiene un ahorro energético de % y un ahorro económico de %, comparado con la secuencia del caso C2 (secuencia de minimización de flujos). Asimismo, el caso C3 posee un ahorro energético de 17.42% y un ahorro económico de 23.44%, comparado con la secuencia C1 (secuencia directa) Es factible concluir que utilizar secuencias que combinen columnas convencionales con columnas Petlyuk minimiza el consumo energético, y por ende, el costo total anual comparado con secuencias puramente convencionales. Referencias 1. Finn, A.J. (1993). Consider thermally coupled distillation, Chemical Engineering Progress, October, Tedder, D.W. y Rudd, D.F. (1978). Parametric studies in industrial distillation. AIChE Journal, 24, Glinos, K. y Malone, M.F. (1985) Minimum vapor flows in a distillation column with a sidestream stripper. Industrial Engineering Chemical Process Design and Development 24, Castro, A. y Jiménez, A. (2002). Método corto para el diseño de columnas de destilación térmicamente acoplada Petlyuk. Revista Mexicana de Ingeniería Química, 1, Underwood, A. J. V. (1948). Fractional distillation of multicomponent mixtures. Chemical Engineering Progress, 44, Fenske, M. R. (1932). Fractionation of Straight-Run Pennsylvania Gasoline. Ind. Eng. Chem., 1932, 24 (5), pp Gilliland, E. R. (1940). Multicomponent Rectification; Industrial Engineering Chemistry 32, Jiménez, A. (2003). Diseño de Procesos En ingeniería Química. México: Reverté. Página 4763