24. COLUMNA DE DESTILACIÓN DESBUTANIZADORA

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1 24. COLUMNA DE DESTILACIÓN DESBUTANIZADORA 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de destilación con dos alimentos 1.2. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos 1.3. Determinar las especificaciones que maximicen las ganancias en la operación de la columna 2. INTRODUCCIÓN En este ejemplo se simulará una columna de destilación con condensador parcial, que se carga con dos alimentos y que se propone desbutanizar una mezcla de hidrocarburos alifáticos. Para C componentes y N etapas de equilibrio, el número de grados de libertad en este tipo de columna es de N e i = 2 C + 2N + 14 (24.1) Si se especifican las dos corrientes de alimentación, el número de especificaciones requeridas para el diseño de la columna es de N e i = 2 N + 10 (24.2) HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de este tipo de columnas, 2N variables y, por lo tanto, los grados de libertad se reducen a diez. El asistente de HYSYS requiere de las especificaciones del número de etapas de equilibrio, el número de las dos etapas de alimentación, las dos presiones y las dos caídas de presión en condensador y rehervidor. Introducidas las anteriores especificaciones, es necesario agregar las tres faltantes a elección del usuario o diseñador Se utilizará el Optimizador de HYSYS para determinar las especificaciones que maximicen una función objetivo planteada para estimar las ganancias en la operación de la columna, teniendo en cuenta los ingresos por la venta del producto y los costos de los servicios.

2 Las variables y las ecuaciones incluidas en este estimativo se importan o construyen en la hoja de cálculo o Spreadsheet disponible en HYSYS la cual tiene un manejo como cualquier hoja de cálculo 3. PROCESO ESTUDIADO La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final de la simulación de la columna de destilación desbutanizadora, observándose adicionalmente, la hoja de cálculo utilizada para los cálculos de optimización de las ganancias en la operación. La columna tiene 15 platos y se carga con dos alimentos. Las especificaciones de los alimentos se observan en la Figura 2 y muestran un contenido de hidrocarburos alifáticos. La corriente AlimentoUno se carga por el plato 8 y la corriente AlimentoDos se carga por el plato 4. La presión en el tope de la columna es de 205 psia y en el fondo es de 215 psia. El condensador es parcial y especifíquelo sin caída de presión. El contenido de pentanos en fase líquida en el condensador debe ser de una fracción molar de 0.05 y la recuperación de butanos en la corriente líquida de tope debe ser del 95 % Figura 1. Columna desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos alifáticos 156

3 Figura 2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora 3.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Propano, i-butano, n-butano, i-buteno, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano ECUACION: Peng Robinson REACCIONES: No hay 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Introduzca una columna de destilación dentro del PFD y complete sus especificaciones como aparece a continuación: Connections No. of Stages 15 Feed Streams (Stage) AlimentoDos (4) AlimentoUno (8) Condenser Type Parcial Ovhd Vapour Venteo Ovhd Liquid Butanos Bottoms Liquid Fondos Reboiler Duty Qr Condenser Duty Qc Pressure Condenser Pressure Cond Delta Reboiler Pressure 205 psi 0 psi 215 psi Sobre la página Specs de la pestaña Design, introduzca las siguientes especificaciones 157

4 Ovhd Vap Rate: 0 C5 s in Top: 0.05 Fracción mol de i-c5 y n-c5 en el líquido del condensador Butane Recovery: 0.95 Recuperación de i-c4, n-c4 e i-c4= en la corriente de productos Butanes Antes de correr la columna, abra la página Solver sobre la pestaña Parameters y cambie el Heat/Spec Error Tolerante al valor (en reemplazo del valor por defecto ) Haga correr la columna y una vez se obtenga su solución, examine la página Summary sobre la pestaña Performance para observar la Razón de Reflujo y las cargas calóricas en el Rehervidor y Condensador. Regrese a la página Specs y aproxime las purezas haciendo los siguientes cambios 1. Cambie el C5 s in Top a Cambie la Recuperación de Butane a 0.99 La razón de reflujo para estas nuevas especificaciones es ahora aproximadamente 49. En vez de proceder por ensayo y error para determinar las especificaciones de operación más rentables, se utilizará el Optimizador. Antes de instalar el Optimizador cambie los valores de las especificaciones a los valores originales, es decir: 1. C5 s in Top = Butane Recovery = 0.95 Función objetivo La función objetivo calcula la ganancia en la operación de la columna en base a los costos de los servicios y el precio de venta del producto Butanos. La ecuación para la función objetivo es: G= C F CQ CQ (24.3) B B c c r r Siendo G, las ganancias, Q c y Q r, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, F B, el flujo de butano y C B, C c y C r, el precio de venta unitario de la corriente de Butanos y los costos unitarios de enfriamiento y calentamiento, respectivamente. 158

5 Para este ejemplo, los costos en dólares son: 1. Costo de enfriamiento, C c $ / Btu (Celda B2) 2. Costo de calentamiento, C r $ / Btu (Celda B6) 3. Precio de venta de Butanos, C B $10 / lb (Celda D2) Para el cálculo de los ingresos netos por las ventas de Butanos, se incluye un descuento en el precio de venta que tiene en cuenta la concentración de pentanos en el tope. El precio de venta neto de butanos se calcula con la siguiente ecuación ( 1- x) 5 C B Pr ecio de venta neto de Butanos = (24.4) Siendo x, el contenido de pentanos en el tope Instalación del Optimizador 1. Presione la tecla clave <F5> para abrir el optimizador y sobre la pestaña Variables haga clic sobre el botón Add para introducir las variables implicadas en el estudio 2. Seleccione los valores especificados como se muestra en la Figura 3. Con ellas el optimizador tiene dos variables primarias que manipulará para maximizar la función objetivo Figura 3. Especificación de las variables en la ventana del optimizador 159

6 Presione el botón SpreadSheet... en la ventana del Optimizador para desplegar su hoja de cálculo. Sobre la pestaña Connections presione el botón Add Import... para introducir las variables de proceso necesarias en las celdas asignadas en la hoja de cálculo como se muestra en la Figura 4. Figura 4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador Introduzca las fórmulas que aparecen en la Figura 5, en la hoja de cálculo del optimizador, de acuerdo a la asignación de celdas observadas en la columna Cell de la pestaña Formulas de dicha hoja de cálculo La fórmula introducida en la celda D3 es un descuento aplicado al precio de venta del producto Butanos que tiene en cuenta la pureza de éste. En este caso, el valor para B3 tiene unidades incorrectas porque no son unidades asociadas con costo sino con Btu/h porque el valor introducido en la celda B2 no tiene unidades. Para solventar este impase se cambiarán las unidades de B3 de tal manera que sea adimensional. Para ello, se selecciona la celda B3 y a continuación sobre el cuadro Variable Type se selecciona la opción Unitless. De igual manera se procede con las celdas B7, B9 y D7. La Figura 6 muestra la hoja de cálculo con los datos y las fórmulas introducidas Haga clic sobre el menú Simulation y seleccione la opción Optimizar para desplegar su correspondiente ventana. Haga clic sobre la pestaña Functions donde la 160

7 Función Objetivo y algunas restricciones definidas en la hoja de cálculo son introducidas. En este caso, la función objetivo es Operating Profit o celda D9 para que sea maximizada. La Figura 7 muestra la ventana del optimizador Figura 5. Fórmulas para calculas los costos, los ingresos y las ganancias Figura 6. Hoja de cálculo de costos, ingresos y ganancias 161

8 Figura 7. Ventana del optimizador para especificar la función a maximizar La pestaña Parameters de la ventana del Optimizador se dejará en sus valores por defecto. Abra la ventana Monitor donde se registrarán las iteraciones calculadas por el optimizador. Presione el botón Start para que el Optimizador comience sus cálculos. Los cálculos son sensibles a los valores iniciales de cálculo, por lo tanto es mejor correr el optimizador varias veces para asegurarse que se ha llegado al valor óptimo y uno a un máximo local. Presione la pestaña Monitor y observe la hoja de cálculo final después de las corridas. 162