heuristica de torres 1

8/19/2019 Heuristica de Torres 1

1/28

HEURISTICA DE TORRES

DE DESTILACIÓN Y ABSORCIÓN DEGASES

EDISON GILPAVAS

Profesor Ingeniería de ProcesosUniversidad EAFIT. Medellín-Colombia

E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]


2/28

OBJETIVOS• Analizar las normas heurísticas y algoritmos aplicados en el

diseño de torres de destilación y de absorción de gases.

• Comprender de forma clara y gráfica el funcionamiento detorres de destilación y de absorción.

• Aplicar la heurística para el diseño de torres de destilación y

de absorción de gases empacadas y de platos o bandejas.

• Presentar ejemplos que lleven a un mejor entendimiento delempleo de las normas heurísticas para cada uno de losequipos anteriormente mencionados.


3/28

INTRODUCCIÓN

Dentro de los conceptos de heurística y algoritmos sedistinguen básicamente los mismos pasos[1] para abordarel diseño. Éstos son:

1. Concepción y definición del problema.2. Desarrollo del diagrama de flujo.3. Diseño del equipo.4. Análisis económico.5. Optimización.6. Publicación.

[1] ULRICH, A guide to chemical engineering process design and economics.


4/28

DESTILACIÓN

• Es una de las operaciones de separación líquido-vapor máscomunes.

• Requiere de suministro o retiro de energía, valiéndose de ladiferencia de las volatilidades relativas.

• El calor ocasiona que los componentes de menor punto deebullición se evaporen, dejando los componentes menosvolátiles en forma líquida.

• La destilación puede utilizarse para separar mezclas binariaso multicomponentes.

• Variables de diseño como la presión de la columna, latemperatura, el tamaño y el diámetro son determinadas porlas propiedades de las corrientes de alimentación y losproductos deseados.

Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988)


5/28

TIPOS DE TORRES• Torres empacadas:

El empaque proporciona una mayorárea superficial de contacto dellíquido y el vapor.

Las diferencias en la concentracióncausan que los componentes con

menor volatilidad pasen de la fase devapor a la fase líquida.

El empaque incrementa el tiempo decontacto, aumentando la eficienciade la separación. El vapor salientecontendrán los componentes más

volátiles, mientras que los menosvolátiles saldrán en la corrientelíquida de producto de fondo.



6/28

Tipos de empaques

• Empaques individuales: Estáncompuestos de un material inertecomo la arcilla, porcelana, plásticoo grafito. El tamaño del empaquese encuentra entre 3-75mm.

• Empaques apilados: El apilado esuna estructura en forma de malladel mismo diámetro de la columna.Proporciona canales continuos ylargos para los flujos de líquido y

vapor. Este tipo de empaqueimplica una menor caída depresión. Están fabricados demadera, hojas de metal.



7/28

VENTAJAS DESVENTAJAS

La columnas de diámetro menor a 0.6m tienen una mejor relación costo

eficiencia.

El empaque se puede quebrar

durante la instalación.

Debido a que el empaque puede estar

hecho de materiales inertes, las torresempacadas son capaces de operar

con sustancias muy corrosivas.

Muy costoso para altos flujos.

La caí da de presión es menor que en

una torre de platos.

Cuando el flujo lí quido es muy baja,

disminuye la eficiencia del contacto.

Son adecuadas para lí quidos

térmicamente sensibles.



8/28

TIPOS DE TORRES• Torres de platos:

Las columnas de platos o bandejasson las más utilizadas para ladestilación. El numero de platos oetapas en la columna es específico

para cada aplicación. La geometría delos platos dentro de la torre afecta laextensión y tipo de contacto entre lascorrientes de vapor y líquido paralograr que sea posible una separacióncompleta. La corriente líquida pasa deplato a plato a través de unos canaleslaterales en forma de zigzag.

Operaciones de transferencia de masa (TREYBAL, 1988); Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)


9/28

Tipos de platos

• Tipo malla o tamiz: Tieneagujeros pequeños de 3 a 12mm dediámetro por donde fluye el vapor. Laenergía cinética del vapor mantiene ellíquido por encima de la superficie del

plato.

• Tipo válvula: Los agujeros tienenválvulas de paso que evitan que ellíquido pase por los orificios. Este tipode plato es mas costoso.

• Bubble cap: Los orificios estánsobrepuestos en la corriente del gas,

evitando que el líquido pase. Son

poco usados por su alto costo.Tomado de: WALAS (1999)


10/28

VENTAJAS DESVENTAJAS

La columnas de diámetro mayor a 0.6 mtienen una mejor relación costoeficiencia.

Hay una mayor caída de presión que enlas columnas empacadas.

El contacto líquido-vapor de flujo

cruzado en una columna de platos esmás efectivo que en contracorriente enuna columna empacada.

El fenómeno de espuma puede

presentarse debido a la agitación dellíquido por medio de vapor que fluyehacia arriba.

Se puede emplear para aplicacionescriogénicas.

Puede manejar altos flujos con unarelación costo-eficiencia baja.


11/28

ABSORCIÓN DE GASES• Para poder separar o extraer uno o más de los

componentes de una mezcla, el componente debeponerse en contacto con otra fase. Cuando las dos fasesen contacto son un gas y un líquido, la operación unitariade llama absorción.

• Uno ó varios solutos, se absorben de la fase gaseosa ypasan a la líquida por medio de la absorción. Este procesoimplica una difusión molecular turbulenta o una

transferencia de masa del soluto a través del gas, que nose difunde y está en reposo, hacia un líquido, que tambiénestá en reposo.

• Tomado de: Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering. (HENLEY, SEADERS, 1981)


12/28

EJEMPLOS

• Absorción de amoníaco del aire por medio de agualíquida: en general la solución amoníaco –agua de salidase destila para obtener un amoníaco relativamente puro.

• Absorción de SO2 de gases de combustión en solucionesalcalinas.

• Hidrogenación de aceites comestibles en la industriaalimenticia, se burbujea hidrógeno gaseoso en el aceitepara absorberlo, entonces el hidrógeno gaseoso en lasolución, reacciona con el aceite en presencia de uncatalizador.


13/28

TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN

• Torres empacadas: Lastorres empacadas se usan para elcontacto continuo a contracorrientede un gas y un líquido. El gas entra

en el espacio de distribución queestá debajo de la sección empacaday se va elevando a través de lasaberturas o intersticios del relleno,poniéndose en contacto con ellíquido descendiente que fluye a

través de las mismas aberturas. Elempaque proporciona extensa áreade contacto íntimo entre el gas y ellíquido.



14/28

EMPAQUES y DISTRIBUIDORES• Tipos de soportes para

los diferentes empaques. • Tipos de distribuidores.



15/28

Empaques• (a) Anillos Rasching; (b) anilloLessing; (c) anillo de doble

espiral; (d) anillo metálico pall;(e) anillo plástico Pall, (f) sillacerámica Berl; (g) silla cerámicaintalox; (h) silla plástica intalox;(i) silla metálica intalox; (j)

Tellerette; (k) tripak plástico; (l)tripak metálico; (m) malla demadera; (n) sección deempaque metálico expandido;(o) secciones de empaquesmetálicos expandidos ubicados

alternativamente; (p) GEMestructura empacada.

Tomado de: WALAS (1999)


16/28

TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN

• Torres de platos: Enesencia se usan las mismastorres, tanto para ladestilación como para laabsorción, ya sea de tipomalla, de casquetes de

burbujeo o válvulas.



17/28

TIPOS DE TORRES DE ABSORCIÓN• Torres de desorción: Un

ejemplo es la desorción con vaporde aceites no volátiles, en la cualel vapor se pone en contacto conel aceite y pequeñas cantidades

de componentes no volátiles delmismo pasan a la corriente devapor.

• Torres de humidificación:Cuando el gas es aire puro y ellíquido es agua pura, al proceso

se le llama humidificación.La humidificación significaextracción de vapor de agua delaire.



18/28

HEURÍSTICA GENERAL1. La destilación es usualmente el método más económico para la separación de líquidos

superando otros procesos de separación.

2. Para mezclas ideales la volatilidad relativa es la relación de las presiones de vapor.

3. La presión de operación de la torre, es, en la mayoría de los casos, determinada por latemperatura media de condensación. (38°C-50°C);si se usa agua como refrigerante, o es

determinada por la temperatura máxima permitida en el rehervidor para evitar ladescomposición o degradación química.

4. Secuencia para la separación de sistemas multicomponentes: – Se realiza la separación más fácil, que es la que requiere menos reflujo y menor

cantidad de platos y se deja lo más difícil para lo último. – Cuando ni la volatilidad relativa ni la composición en el alimento varía

considerablemente, se remueven los componentes uno a uno como productos dedestilación.

– Cuando los componentes adyacentes en el alimento varían considerablemente encuanto a la volatilidad relativa, se hacen las separaciones en forma decreciente deacuerdo a la volatilidad.

– Cuando las concentraciones en el alimento varían considerablemente, pero lasvolatilidades relativas no, se remueven los componentes en forma decreciente deacuerdo a la concentración.


)1/(1/* FDRi


19/28

5. La relación de reflujo económicamente, se encuentra entre 1.2 -1.5 veces la Rmin.

6. El numero de platos teóricos económicamente optimo, es aproximadamente dos veces Nmin.

7. El Nmin se encuentra con la ecuación de FENSKE-UNDERWOOD:Nmin = log{[x/(1- x)]ovhd/[x/(1- x)]btms}/log

8. El reflujo mínimo para mezclas binarias o seudo binarias cuando la separación es casi completay D/F, es la relación de la rata de alimentación del destilado, se calcula de la siguiente manera: – Cuando el alimento entra en su punto de burbuja: Rmin*D/F=1/(-1) – Cuando el alimento entra en su punto de rocío: Rmin+1*D/F= /(-1)

9. Se debe considerar un factor de seguridad de 10% de número de los platos calculados.

10. Para las bombas de reflujo también se debe considerar un 10% como factor de seguridad.

)1/(1/ F D Rmin


20/28

11. El número óptimo del factor de absorción Kremser, se encuentra entre 1.25 y 2.0

12. Los tambores de reflujo usualmente son horizontales, con un tiempo de residenciadel líquido de 5 min lleno hasta la mitad. Se utiliza otro recipiente para la segundafase líquida, como es el caso del agua en sistemas de hidrocarburos, este recipientees capaz de almacenar 1.3 m/s de la fase con un diámetro mínimo de 1.4m.

13. Para torres de aprox. 0.9 m DE D. se le aumenta 1.2 m en el tope para la liberacióndel vapor y 1.8 m en el fondo para el nivel del líquido que retorna al rehervidor.

14. El límite de altura de una torre es de 53 m, adicionalmente se tiene el criterio deL/D < 30, y se encuentra 20


21/28

ALGORITMO1. Conocidas las separaciones deseadas de los componentes claves,

estimar las composiciones de las corrientes de fondo y tope,suponiendo una separación perfecta.

2. Obtener la presión, o perfil de presiones en la torre, ya sea porespecificación o empleando el algoritmo que se describe más adelante.

3. Determinar las condiciones de la corriente de entrada, mediante unflash adiabático a la presión fija o presión promedio de la columna.

4. Calcular el número mínimo de etapas teóricas con la ecuación deFenske.



22/28

5. Volver a utilizar la ecuación de Fenske, ahora para calcular lasseparaciones de los componentes no claves. Comparar con las de laiteración anterior, si son iguales se sigue con el paso 6; si no, se vuelve ahacer el cálculo de presión para la columna.

6. Calcular, con la ecuación de Underwood, la relación de reflujo mínimo

7. Mediante la ecuación de Gilliland, calcular el número real de etapasteóricas a partir de la relación de reflujo real o viceversa.

8. Determinar la etapa de alimentación con la ecuación de Kirkbride.

9. Hacer el balance de energía para obtener las cargas térmicas derehervidor y condensador


23/28

Algoritmo para perfil de presión

• La presión en el tanque de reflujo debe ser menor a 415 psia por motivoseconómicos.

• Se debe procurar el empleo de agua de enfriamiento en el condensador,sobre los refrigerantes para disminuir costos.

• Se puede suponer una caída de presión en el condensador de 0 a 5 psi y de5 psi en el resto de la torre.

• La temperatura en el rehervidor no debe provocar la descomposición delproducto o acercarse a las condiciones críticas.


24/28

Heurística para Torres Empacadas

1. La estructura y el empaque aleatorio es recomendado para torres empacadasmenores de 0.9m cuando la caída de presión es requerida.

2. Reemplazar los platos por un empaque, permite una mayor separación entorres acorazadas.

3. Para flujos de gas de 14.2 m3/min. se emplea un empaque de 2.5cm; Para ratasde gas de 56.6 m3/min. o más se emplea un empaque de 5 cm.

4. La relación diámetro de torre/diámetro de empaque, debe ser mayor de 15 a 1.

5. Debido a la deformabilidad el uso de empaque plásticos se limita a 3-4m y losmetálicos 6 -7.6m.


25/28

6. Se requieren distribuidores de líquido cada 5 – 10 diámetros de la torrecon anillos pall y por lo menos cada 6.5m para otro tipo de empaques.

7. El número de distribuidores de líquidos debe ser mayor 32-55/m2 entorres mayores de 0.9m de diámetro y mas numerosos en columnas mas

pequeñas.

8. Las torres empacadas deben operar aproximadamente al 70% de lainundación total, esto se evalúa por medio de la correlación deSherwood y Wolf.

9. La altura equivalente de la etapa teórica (HETS) para el contacto vaporlíquido es 0.4 - 0.56m para anillos pall de 2.54cm y 0.76 -0.9m paraanillos pall de 5cm.


26/28

10. Caídas de presión generalizadas:

Caída de presión

Diseño caída de presión

(cm de agua/m de

empaque)

Diseño caída de presión

(in de agua/ft de

empaque)

Absorbedores y

regeneradores sinespuma

2.1 – 2.3 0.25 – 0.40

Absorbedores y

regeneradores0.8 – 2.1 0.1 – 0.25

Atmósfera/presión ‘still’

y fraccionadores 3.3 – 6.7 0.4 – 0.8

Fraccionadores y ‘still’

al vacío0.8 – 3.3 0.1 – 0.4

Valor máximo 8.33 1


27/28

Heurística para Torres de Platos1. Por razones de accesibilidad, el espaciamiento entre platos es de 0.5 -

0.6m.

2. La eficiencia de los platos se encuentra en los valores del factor de

vapor: FS = *ρ0.5

y se encuentra en un rango de 1.2 -1.5 m/s. Elintervalo de FS establece el diámetro de la torre. A presionesmoderadas la velocidad lineal es de 0.6 m/s y 1.8 m/s cuando esta alvacío.

3. La caída de presión por plato esta en el orden de 7.6cm de agua.

4. La eficiencia de los platos para la destilación de hidrocarburos livianos ysoluciones acuosas es de 60-90%; para la absorción de gas es de 10-20%.


28/28

5. Los orificios de los platos en forma de malla tienen un diámetro 0.6 - 0.7cm, elárea es 10% de la sección transversal activa.

6. Los orificios de tipo válvula de los platos tienen un diámetro 3.8cm, cada uno conuna capa de 130 – 150 caps/m2 de la sección transversal. Los platos con orificios

tipo válvula son mas económicos que los tipo malla.

7. Los platos de tipo ‘bubble cap’ se usan solamente cuando se debe mantener unnivel del líquido bajo, pueden ser diseñados para caídas de presión menores quepara los platos tipo malla o válvula.

8. La altura del reboce del plato es de 5cm y su longitud es aprox. El 75% deldiámetro del plato. El reboce solo puede mantener 1.2m3/min. Los arreglos demúltiple paso son usados cuando se tienen ratas muy altas de líquidos.


heuristica de torres 1

Documents