INSTITUTO TECNOLGICO DE ORIZABA MAESTRA EN CIENCIAS EN INGENIERA QUMICA SIMULACIN DE PROCESOS

SIMULACIN DE LA DESTILACIN DE UNA MEZCLA Se cuenta con mezcla liquida que contiene propano, isobutano, n-butano, isopentano y npentano. Se desea separar los primeros tres componentes con una pureza del 99 % empleando dos estrategias de separacin, que permitan evaluar la factibilidad mediante la comparacin del consumo energtico. La mezcla se encuentra a 70 F y 138 psia y las composiciones se muestran a continuacin: Componente Propano Isobutano N-butano Isopentano N-pentano Flujo molar [lbmol/hr] 100 300 500 400 500

Primera Estrategia La primera estrategia busca separar en la primera columna al propano, los fondos son enviados a una segunda columna donde se separan los butanos de los pentanos, el destilado rico en butano se enva a una tercera columna donde se separa el isobutano del n-butano. En la figura 1 se presenta un esquema del proceso.

DIST1

C1 C3 FEED DIST2

DIST3

C2 LIQUID1 LIQUID3

LIQUID2

Figura 1. Primera estrategia de separacin

Columna 1.Para comenzar con la simulacin de la primera columna, se emple el mdulo DSTWU, en el cual se estableci un nmero de etapas de 6, como componentes clave ligero y pesado se seleccion el propano y el isobutano, respectivamente. Los resultados de la corrida se muestran en la siguiente tabla:KELVYN BARUC SANCHEZ SANCHEZ

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Minimumreflux ratio: Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages: Feedstage: Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired: Condenser coolingrequired: Distillatetemperature: Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction:

2.7575274 3.24722355 12.4097028 24.8194056 12.9018381 11.9018381 11604421.1 2878252.09 78.0954949 195.972963 0.05694321

Btu/hr Btu/hr F F

Con los resultados obtenidos del nmero de etapas, etapa de alimentacin y la relacin de reflujo, se procede a cambiar el mdulo de destilacin por el RadFrac. Durante la primera corrida los resultados obtenidos en la pureza no fueron los requeridos, por los que se optimizaron los parmetros de la columna, como se muestra en las figuras 2 y 3.

Figura 2. Etapas totales y relacin de reflujo para la columna 1

Figura 3. Etapa de alimentacin para la columna 1

Con estos parmetros optimizados se obtuvo la recuperacin requerida e los componentes clave y pesado. En la figura 4 se presentan las fracciones molares de los productos.

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Figura 4. Fracciones molares de los productos

Los resultados generales arrojados por el simulador se presentan en la siguiente figura, se observa que se cumple con los requerimientos en la composicin del destilado (DIST1).

Figura 5. Resultados generales de la columna 1

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Columna 2. Para la columna 2 se sigui la misma metodologa. En el mdulo DSTWU se tom como componente clave ligero al n-butano y como el clave pesado al Isopentano. La recuperacin para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuacin:Minimumreflux ratio: Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages: Feedstage: Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired: Condenser coolingrequired: Distillatetemperature: Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction: 2.01192109 2.39245818 15.3062582 30.6125164 16.0317607 15.0317607 21168658.8 20294126 160.514781 242.417133 0.47023125

Empleando posteriormente el mdulo RadFrac y optimizando los parmetros para obtener los resultados requeridos.

Figura 6. Etapas totales y relacin de reflujo para la columna 2

Figura 7. Etapa de alimentacin para la columna 2

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Bajo las condiciones de operacin anteriores se obtuvieron las siguientes fracciones molares en los productos de la columna, estos cumplen con los requerimientos. El 99 % de los butanos se logran separar de la alimentacin.

Figura 8. Fracciones molares de los productos

Figura 9. Resultados generales de la columna 2

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Columna 3. Para la columna 3 en el mdulo DSTWU se tom como componente clave ligero al isobutano y como el clave pesado al n-butano. La recuperacin para ambos componentes fue la misma empleada anteriormente (0.99 y 0.01). Los resultados obtenidos se presentan a continuacin:Minimumreflux ratio: Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages: Feedstage: Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired: Condenser coolingrequired: Distillatetemperature: Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction: 10.160907 11.4620889 40.6199057 81.2398114 42.1699713 41.1699713 26790697.7 26766221.9 146.615954 170.193867 0.37727966

Btu/hr Btu/hr F F

Empleando posteriormente el mdulo RadFrac y optimizando los parmetros para obtener los resultados requeridos.

Figura 10. Etapas totales y relacin de reflujo para la columna 3

Figura 11. Etapa de alimentacin para la columna 3

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Como se puede observar, se decidi reducir el nmero de platos para evitar que la columna fuera demasiado alta y aumentar a 15 el reflujo. Esta configuracin arrojo los siguientes resultados.

Figura 12. Fracciones molares de los productos

Figura 13. Resultados generales de la columna 3

Las cantidades del consumo energtico (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuacin:C1 REBOILER CONDENSER C2 C3 TOTAL PARCIAL TOTAL

15877747 23525832 34152103.8 -7149681.8 -22648799 -34127418

73,555,682.80 137,481,581.60 -63,925,898.80

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Segunda Estrategia La segunda estrategia busca separar los componentes en a partir de los fondos de cada columna, es decir, como primer lugar el propano, posteriormente isobutano y finalmente n-butano. En la figura 14 se presenta el esquema de esta estrategia.

GAS1

C1 FEED

GAS2

C2 LIQUID1 GAS3 C3 LIQUID2

LIQUID3

Figura 14. Segunda estrategia de separacin

De la misma forma que en la primera estrategia se emplea el mdulo DSTWU para hacer un clculo aproximado de las condiciones de operacin de la primera columna, posteriormente se emplea el mdulo RadFrac y se optimizan los parmetros para cumplir los requerimientos. Por lo anterior, solamente se presentan los clculos para las columnas 3 y 4. Para la columna 2 usando el mdulo DSTWU, definiendo como componentes clave ligero y pesado al isobutano y n-butano, respectivamente, con recuperaciones del 0.99 y 0.01. Los resultados son tabulados a continuacin:Minimumreflux ratio: Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages: Feedstage: Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired: Condenser coolingrequired: Distillatetemperature: Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction: 14.0877844 15.8383572 45.2373784 90.4747568 44.5890381 43.5890381 36566974.7 36264328 146.603349 209.433139 0.1777406

Btu/hr Btu/hr F F

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Empleando el mdulo RadFrac, los valores optimizados se muestran en las figuras siguientes.

Figura 15. Etapas totales y relacin de reflujo para la columna 2

Figura 16. Etapa de alimentacin para la columna 2

Con estos parmetros de operacin, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 17 se presentan las fracciones molares de los productos.

Figura 17. Fracciones molares de los productos

En esta columna se observa la gran cantidad de etapas que requiere la columna para lograr separar el isobutano, y el alto reflujo que se requiere, esto se refleja en la gran cantidad de energa que se requiere para la operacin de esta columna. Por otra parte, el tamao de una columna de 91 platos podra no ser lo ms adecuado.

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La figura 17 muestra los resultados generales de la columna 2.

Figura 18. Resultados generales de la columna 2

Columna 3. La columna 3 recibe los fondos provenientes de la columna 2, se especifica como componente clave ligero al n-butano y clave pesado al isopentano. Los resultados del mdulo DSTWU son los siguientes:Minimumreflux ratio: Actual reflux ratio: Minimumnumber of stages: Number of actual stages: Feedstage: Number of actual stages above feed: Reboiler heatingrequired: Condenser coolingrequired: Distillatetemperature: Bottomtemperature: Distillatetofeedfraction: 3.0336676 3.54204581 15.6003081 31.2006162 16.4858041 15.4858041 17958215.1 17358231.4 170.085886 242.457265 0.3571006

Btu/hr Btu/hr F F

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Empleando posteriormente el mdulo RadFrac y optimizando los parmetros para obtener los resultados requeridos.

Figura 19. Etapas totales y relacin de reflujo para la columna 3

Figura 20. Etapa de alimentacin para la columna 3

Con estos parmetros de operacin, la columna permite obtener las recuperaciones esperadas de 0.99 y 0.01. En la figura 21 se presentan las fracciones molares de los productos.

Figura 21. Fracciones molares de los productos

En esta columna se requiri menor nmero de etapas ya que la diferencia entre los puntos de ebullicin del n-butano con respecto al isopentano es mayor que entre los butanos. Se observa una buena separacin de los componentes. Por ltimo se presentan los resultados generales para la columna 3 (figura 22).

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Figura 22. Resultados generales de la columna 3

Las cantidades del consumo energtico (reboiler, condenser) para cada columna se presentan a continuacin:C1 C2 C3 TOTAL PARCIAL TOTAL 15,553,477 40,396,863.50 21,457,909 77,408,250.60 145,508,856.90 -7,151,721 -40,095,355.00 -20,853,530 -68,100,606.30

REBOILER CONDENSER

CONCLUSIN Ambos mtodos o estrategias de separacin empleadas permitieron obtener las concentraciones de los productos requeridas, pero se observan diferencias en el consumo energtico. La segunda estrategia requiere mayor cantidad de energa en el condensador como en el rehervidor. Por otro lado, la columna de la segunda estrategia requiere un nmero muy elevado de etapas y el reflujo alto. Por lo que la estrategia mas factible de implementar es la numero 1.

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