Destilación fraccionada por lotes

Transcripción

1 Destilación fraccionada por lotes Exposición del problema y planteamiento de solución La tarea planteada consiste en separar por destilación una mezcla de 3 sustancias. Una vez finalizado el proceso, las sustancias contenidas (benceno, tolueno y ortoxileno) deben quedar disponibles en estado casi puro. Para este fin presentamos la posibilidad de realizar una destilación fraccionada por lotes. Las destilaciones por lotes ofrecen la posibilidad de separar de forma rentable lotes más pequeños de mezclas, aportando una gran flexibilidad en lo relacionado con la especificación del diseño. Debido a la dependencia del tiempo del proceso de destilación, causada por los respectivos intervalos de ebullición específicos de cada sustancia, la destilación por lotes se considera un proceso de rectificación discontinua. Para llevar a cabo este proceso se utiliza una columna de lotes con 5 tanques de recogida para acumular cada sustancia destilada. Entre los tanques y la columna, el así denominado timeswitch se encarga de la distribución del producto a cada tanque. La fig. 1 muestra la estructura del proceso. Fig. 1: diagrama de flujo del proceso

2 Implementación del proceso de destilación por lotes en CHEMCAD Para llevar a la práctica el proceso usando CHEMCAD se debe definir la mezcla, crear el diagrama de flujo y fijar las especificaciones de diseño. Después de seleccionar el benceno, el tolueno y el ortoxileno en la base de datos de sustancias y colocar las Unit Operations en el diagrama de flujo, se debe definir la burbuja de destilación de la columna. La fig. 2 muestra las opciones de las columnas y la fig. 3 muestra la composición de la alimentación después de seleccionar el sub-menú [Pot Charge]. Fig. 2: opciones de columnas de lotes Fig. 3: composición de la alimentación Las propiedades de las columnas se muestran en el sub-menú [Batch Column]. La fig. 4 muestra las opciones de configuración para la destilación 1. Como el objetivo es obtener tres fracciones principales y 2 fracciones intermedias, se debe elegir el 5 en la opción "Number of Operation Steps". La cantidad de bases se configura a La presión del condensador se debe ajustar a la presión atmosférica. Asimismo existe la opción de fijar las pérdidas de presión dentro de la columna o de simular una subida (hold-up) de volumen, masa o moles. 1 Por la influencia del término inglés "Batch-destillation", en este contexto se utiliza el término destilación en lugar de "rectificación". 2 La elección de los parámetros de diseño y de la columna se realiza aquí en base a la experiencia del usuario, como alternativa es posible realizar un planteamiento heurístico o llevar a cabo un estudio de sensibilidad. Página 2 de 10

3 Fig. 4: configuración de los parámetros de diseño de la columna Para definir el tiempo del proceso de destilación se debe seleccionar el sub-menú de opciones [Operation Parameters]. A continuación, se abren 5 ventanas de programa, en las que es posible configurar los criterios de finalización de cada una de las fracciones. La fig. 5 muestra la configuración de la 1ª fracción principal. La relación de reflujo y la tasa de destilado para todas las fracciones se configuran a 10 2 y 100 kmol/h, y la duración de cada paso de integración se fija a 0,005 h. Al comienzo de la destilación, prácticamente sólo el benceno entra en ebullición por lo que el criterio de finalización de la fracción se fija a 95% moles en el primer tanque. Fig. 5: parámetros de diseño de la 1ª fracción principal Página 3 de 10

4 Fig. 6: parámetros de diseño de la 1ª fracción intermedia Dado que los intervalos de ebullición del benceno y del tolueno coinciden parcialmente, la 1ª fracción intermedia se finaliza cuando la concentración de tolueno de 95% moles en el destilado es lo suficientemente alta como para formar la 2ª fracción principal (consulte la fig. 6). Ésta se recoge en el tercer tanque. Aquí se realiza la finalización de forma análoga a la 1ª fracción principal cuando la concentración de tolueno en el tanque cae y llega a 95% moles. (consulte la fig. 7) Fig. 7: parámetros de diseño de la 2ª fracción principal Página 4 de 10

5 Fig. 8: parámetros de diseño de la 2ª fracción Intermedia La 2ª fracción intermedia, compuesta de tolueno y ortoxileno, se finaliza, de forma análoga a la 1ª fracción intermedia, con una concentración lo suficientemente alta de ortoxileno de 95% moles en la corriente de destilado (consulte la fig. 8). Como criterio de finalización de la última fracción principal de ortoxileno se fija un límite de tiempo de una hora (consulte la fig. 9). A una velocidad de destilación de 100 kmol/h y una cantidad de alimentación de 100 kmol, la destilación del lote se ha completado después de una hora. De este modo se ha especificado con la exactitud necesaria el proceso de destilación. Fig. 9: parámetros de diseño de la 3ª fracción principal Página 5 de 10

6 Evaluación de los resultados de la simulación En el menú de opciones de la columna de lotes (consulte la fig. 2) y en la opción [Set Screen Information] es posible seleccionar 12 parámetros diferentes de registro de datos durante la simulación. Para poder entender la evolución de la concentración de cada uno de los componentes, se selecciona la fracción molar de los componentes dentro de los tanques. Los valores de concentración dentro de los tanques se trazan ahora en paralelo a la simulación. La fig. 10a muestra la evolución de la concentración en el primer tanque de recogida. La figura muestra que el benzol fluye al principio con una concentración del 100% en el tanque de recogida y, conforme al criterio de finalización, la acumulación se cancela después de 0,335 h a 95% moles. a b Fig. 10: evoluciones de la concentración b: 1ª fracción intermedia a: 1ª fracción principal; La evolución de la concentración de la 1ª fracción intermedia en el segundo tanque se muestra en la fig. 10b. La acumulación de la mezcla de benceno/tolueno se finaliza después de alcanzar una concentración de tolueno de 95% moles. La fig. 10 muestra que los gradientes de concentración no muestran una evolución continua dentro de los tanques en caso de instalación en serie. La concentración de tolueno al final de la primera acumulación es de aproximadamente 6% moles, pero en el tanque 2 ya comienza con una concentración de aproximadamente 67% moles. Esto se debe a los cortos periodos de destilación entre las acumulaciones, durante los cuales la columna de lotes trabaja con una relación de reflujo total para llegar a la próxima concentración mínima en el producto de cabeza. Página 6 de 10

7 En la fig. 11a se muestra la evolución de las concentraciones molares en el tercer tanque. De forma análoga a la 1ª fracción principal, es evidente que la 2ª fracción principal se compone de tolueno y que el criterio de finalización es de nuevo de 95% moles. También la evolución de las concentraciones de la 2ª fracción intermedia (consulte la fig. 11b) es análoga a los gradientes de concentración de la 1ª fracción intermedia. Aquí, sin embargo, el ortoxileno es el componente con mayor concentración y la concentración de tolueno disminuye de forma constante. a b Fig. 11: evoluciones de la concentración b: 2ª fracción intermedia a: 2ª fracción principal; El quinto y último tanque se alimenta con la 3ª fracción principal de ortoxileno (consulte la fig. 12). La acumulación termina una vez ejecutado el proceso de destilación por lotes durante una hora. Fig. 12: evolución de la concentración de la 3ª fracción principal Página 7 de 10

8 CHEMCAD ofrece la opción de registrar la evolución de la concentración de la corriente de destilado de forma constante. Para ello se debe seleccionar la opción [Plot] [Dynamic Plots] [Batch Column History]. A continuación se selecciona la columna de lotes (consulte la fig. 13). Fig. 13: plot dinámico de las columnas A continuación se seleccionan los componentes a registrar y una variable (consulte la fig. 14). Ahora se considera la fracción molar de la corriente de destilado. El resultado aparece en pantalla inmediatamente (consulte la fig. 15). Fig. 14: configuración del plot dinámico de las columnas Página 8 de 10

9 Fig. 15: evolución de la concentración en la corriente de destilado Al contrario que con los gradientes de concentración dentro de los tanques, en este caso se muestra una evolución constante de la concentración de cada uno de los componentes. Mediante la comparación de la concentración respectiva con las concentraciones en los tanques finales e iniciales es posible determinar los periodos de tiempo con una tasa de reflujo total y un time-switch fijo. De este modo, los resultados de la simulación quedan registrados por completo. Página 9 de 10

10 Optimización de la destilación por lotes La destilación por lotes se puede optimizar en base a varios parámetros, tales como la alimentación en la columna, el tiempo de destilación o los costes de calefacción. Teniendo en cuenta la especificación del producto, es útil no obstante optimizar la destilación en términos de pureza del producto. Dado que las purezas absolutas sólo son aproximativas, en la práctica se busca un compromiso entre las concentraciones deseadas y un gasto de energía realista. Además, la destilación por lotes se puede interpretar en base a una relación de reflujo constante o a una concentración de cabeza constante. En caso de un calentamiento excesivo de la burbuja de alimentación es posible cambiar a una relación de reflujo total e iniciar un nuevo punto de funcionamiento sin pérdida de destilado. La energía utilizada se puede optimizar mediante un buen aislamiento de la columna. Además, los datos de funcionamiento y de costes pueden incluirse en tiempo real en la simulación. Encontrará más información sobre este tema en el tutorial "Mapping in CHEMCAD" en Esta simulación se ha creado con CHEMCAD y se puede utilizar en todas las versiones a partir de CHEMCAD 5. Le interesan más tutoriales, seminarios u otras soluciones con CHEMCAD? Póngase en contacto con nosotros: support@chemstations.eu Telf.: +49 (0) Autores: Daniel Seidl Meiko Wusterhausen Armin Fricke Página 10 de 10