UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA CATEDRA: INTEGRACIÓN IV

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA CATEDRA: INTEGRACIÓN IV T.P, nº 8: Optimización de columnas de destilación. Año 2002 Existen varios criterios para analizar cuando se enfrenta el problema de optimizar columnas de destilación. Aquí mencionaremos solo algunos. Por otro lado, además de las variables a considerar, existen factores tales como la incertidumbre, factor de recupero de capital, etc, que implican un análisis riguroso que involucra más elementos que los que aquí analizaremos. Relación de reflujo óptima. En general si aumento el reflujo, el flujo de calor en el rehervidor y condensador aumenta, lo que implica que aumente el costo operativo. Por otro lado, el número de etapas necesarias decrece, se hace más corto, pero el diámetro aumenta (más flujo de líquido y vapor internos). Cerca del reflujo mínimo, pequeños incrementos del reflujo acortan considerablemente la columna, pero tienen poco efecto sobre el diámetro. En el extremo opuesto, sucede lo contrario con los incrementos. En ambos casos, el costo de capital decrece. Calcularemos el costo considerando los costo operativo principal en calor entregado al rehervidor y consumo de agua de enfriamiento. Los costos de capital serán,el asociado al diámetro de la columna, el del rehervidor y el del condensador. Problema. Considere una columna que separa benceno de tolueno, alimentada con una mezcla equimolecular, 100 Kgmol/hr como líquido saturado. Adopte como especificación que debe recuperar el benceno por tope, en la corriente de salida con una concentración de al menos x=0.98 y en fondo de x=0.06. Tensión superficial =20 dinas/cm Adopte el siguiente esquema de cálculo. Adopte una presión de trabajo. Suponga disponer de servicio de agua de enfriamiento a una temperatura de 20 ºC.. Suponga, además, disponer de servicio de vapor de calefacción de 2 Kg/cm 2 de presión manométrica. Calcule el número mínimo de etapas por Fenske y la mínima relación de reflujo por Underwood. Mediante la ecuación de Gilliland calcular el número de etapas correspondientes a distintos valores de relación de reflujo. Utilice la ecuación de Gilliland para verificar los heurísticos que dicen que los valores óptimos son una relación de reflujo, R=1.15 R min o un número de etapas igual al doble del mínimo. Conclusiones.

2 Determine mediante simulaciones, el mejor plato de alimentación. Calcule el costo de la columna. Sobre esta base, y tomando como punto inicial ya estudiado, utilice el optimizador de Hysys empleando cono variables de optimización: a) La relación de reflujo y comparar con el resultado anterior. b) La presión y la relación de reflujo. Discuta este punto. c) El número de etapas. Discuta este punto. d) La temperatura de salida del agua y presión del vapor de calefacción. Datos: Vapor de calefacción 0.75 $/1.000 libras Agua en refrigeración $/1.000 galones ó $/ libras La suma de los costos de cañerías, aislación e instrumentación puede estimarse en el 60 % del costo del equipo instalado. Los costos fijos anuales constituyen el 15 % de los correspondientes a: costo total del equipo, cañerías, instrumentación y aislación instalados. Los siguientes costos se refieren a equipos instalados e incluyen costos de entrega y montaje: Tabla 1 Tabla 2

3 Tabla 3 Todos los valores pueden interpolarse. Costo anual de una columna de destilación. Mediante balances de materia calcular el flujo de vapor en el tope de la torre, y asumiendo una velocidad del mismo de 2.5 pies/seg, calcular el diámetro de la torre (D t ) y mediante la siguiente fórmula calcular el costo anualizado. Calcular también, el diámetro de columna mediante la figura 2. Costo anualde la columna = [ cos to por plato] [ númerode plato] [ 1+ 0,6] [ 0,15] Costo anual del condensador. Siendo q la carga calórica del condensador, usar la expresión siguiente para estimar el área de intercambio requerida, asumiendo U= 100 en unidades inglesas. q = U A t Donde t se calcula de la temperatura del condensador y del agua de enfriamiento (temperatura de entrada 90ºF). De la segunda tabla se extrae el costo del condensador, y dividiéndolo por el área se obtiene el costo por pie cuadrado (cpc), Costoanualdel condensador = cpc [ Area total] [ 1+ 0,60] [ 0,15] Costo anual del rehervidor. Con un razonamiento análogo al anterior pero usando la tabla 3 a través de la carga calórica del rehervidor (q r ), calcular el costo por unidad de área (cpua), con lo que, Costo anual del rehervidor = cpua [ Area total] [ 1+ 0,60] [ 0,15] En éste caso t usa la temperatura del rehervidor y la del vapor de calefacción (292,7ºF).

4 Costo anual del agua de refrigeración. Siendo q la carga térmica del condensador, t el cambio de temperatura del agua de refrigeración, Cp= 1,0 Btu/(libra)(ºF): q 0,054 Costo anual delagua de refrigeración = [ horas anualesde operación] Cp t Donde la horas anuales de operación pueden ser aproximadamente de Costo anual del vapor. Siendo q r la carga del rehervidor, con 915,5 Btu/libra de calor latente de vapor. Costo anual del vapor q = r 0,75 [ horas anuales de operación] Costo anual total, variable con la relación de reflujo. Para varias relaciones de reflujo se calcula el costo total anual y se escoge como óptimo el hace mínimo dicho costo. Gráficas y Correlaciones. Cálculo del rendimiento global de la torre. La volatilidad relativa y viscosidad están tomados a la temperatura promedio entre tope y fondo de la torre. La viscosidad de la mezcla puede tomarse en función de la composición de alimentación a la temperatura media. Fig. 1

5 De la gráfica anterior, se asume que el número de platos reales es igual al número teórico por el rendimiento sacado del gráfico anterior y dividido 100. Para determinar la velocidad másica, se deberá hacer uso de la gráfica: Fig. 2 G = C ρv ( ρl ρv ) G es la velocidad másica del vapor [Kg/(hr m 2 )] Siendo ρ v y ρ l las densidades del vapor y del líquido en [Kg/m 3 ]. G se debe estimar para el tope y el fondo de la columna. Las que correlacionadas, dan : Para tensión superficial de 0.5 dinas/cm.: y = x x x x Para tensión superficial de 1 dinas/cm.: y = x x x x Para tensión superficial de 5 dinas/cm.: y = x x x x Para tensión superficial de 10 dinas/cm.: y = x x x x R2 = 1 Para tensión superficial de 20 dinas/cm.: y = x x x x

6 Costo de columna: Ct ($ / plato) = D( pu lg.) Costo de Condensador: Ct ($) = Area( pie Costo del Rehervidor: 2 ) Ct ($) = Area( pies 2 ) Hipótesis: Suponer presión de condensador (ej: 1 atm) Suponer presión de rehervidor (EADEM) Considerar U de condensador= 500 KCal/h.m 2.ºK Considerar U de rehervidor= 800 KCal/h.m 2.ºK Asumir distancia entre platos de 40 cm. Los mismo son solo a título orientativo.