secuencia de separacion

Diseño e Ingeniería de Procesos

Métodos Heurísticos Ing. José Santoyo & Ing. Martín Rivera

1. Introducción El diagrama de “la cebolla” representa la importancia jerárquica en el diseño de procesos químicos Esquema general proceso de un proceso con una reacción [2]

Esquema general proceso de un proceso con reacción y recirculación de las diferentes unidades de separación

¿Cómo provocamos la separación? ¿ Qué es un agente mecánico de separación y un agente energético de separación? [1]

2. Secuencias de separación

¿Cuántas secuencias de separación se tendrán para cuatro componentes con cuatro productos?, considere que las separaciones están restringidas a una sola alimentación y a separadores de dos productos

( )[ ]( )!1!

!12−−

=PPPNs

No. Productos ( P ) No. Separadores No. Secuencias ( Ns )

2 1 1 3 2 2 4 3 5 5 4 14 6 5 42 7 6 132 8 7 429 9 8 1430 10 9 4862

2.1 Reglas heurísticas para determinar una secuencia de separación [5] Clasificación de las reglas heurísticas

De Método ( M ) De Diseño ( D ) De Especie ( S ) De Composición ( C )

El método heurístico consiste en la aplicación de las siguientes reglas heurísticas una por una en el orden establecido Reglas Heurísticas:

1. ( M1 ) Favorecer la destilación ordinaria y remover el agente de separación másico primero(MSA).

Consideraciones: Si LK , 1.05 o 1.10HKα < emplear AMS

Al emplear AMS, removerlo en el separador inmediato siguiente.

2. ( M2 ) Evitar la destilación al vacío o el uso de refrigerantes

Consideraciones: Si se requiere vació en la destilación, considerar extracción (L-L) Si se requiere refrigerante, considerar absorción

3. ( D1 ) Favorecer secuencias que den el mínimo número necesario de productos

Consideraciones: Favorecer secuencias que den los productos directamente sin necesidad de mezclarlos

4. ( S1 ) Remover los compuestos corrosivos o peligrosos primero 5. ( S2 ) Dejar las separaciones difíciles al final

Consideraciones: Si LK , 1.0HKα ≈ , la separación se hará en ausencia de componentes no clave

6. ( C1 ) Remueva el componente más abundante primero 7. ( C2 ) Favorezca una separación equimolar (50/50)

Consideraciones. Establecer la separación para el coeficiente de facilidad de separación (CES) más alto.

CES f= × ∆

el que resulte menor o igual a 1

Destilados DFondos B

of

Fondos BDestilados D

== =

donde: f: razón de flujo molar de los productos. B : flujo molar de fondos D : flujo molar de destilado

∆ : diferencia entre la propiedad física o química a evaluar entre los componentes a separar.

Generalmente: ∆ = ∆T (diferencia entre los puntos de ebullición) ( )1 100− ×α∆ = α : volatilidad relativa

2.2 Ejemplos

Ejemplo 1

Determine la mejor secuencia de separación por medio de la aplicación de las reglas heurísticas definidas por Nagdir & Liu [5], para una mezcla de cinco hidrocarburos ligeros tal que se obtengan cinco productos por destilación, la alimentación está dada por:

Especie Fracción

A Propano 0.05

B i-Butano 0.15

C n-Butano 0.25

D i-Pentano 0.20

E n-Pentano 0.35

Solución

Especie Fracción Volatilidad

Relativa α

CES

A Propano 0.05 2.00 5.263*

B i-Butano 0.15 1.33 8.250

C n-Butano 0.25 2.40 114.545

D i-Pentano 0.2 1.25 13.462**

E n-Pentano 0.35 Aplicando el método heurístico.

1. Reglas M1 y M2. Usar destilación ordinaria con refrigeración a alta presión. 2. Reglas D1 y S1. No son aplicables

3. Regla S2. La separación D/E tiene la menor volatilidad relativa (α=1.25) por lo que se

realizará al final en ausencia de los demás componentes 4. Regla C1. Se anula por la aplicación de la regla S2

( )

/ / /(*).05 .05263

.15 .25 .2 .352 1 100 5.263

.15 .25 .2 .35 19.05

A BCDE A BCDE A BCDECES fDB

oBD

= × ∆

= = + + + = ×

+ + + = =

i− =

( )

/ / /(**).05 .15 .25 .2 1.8571

.351.25 1 100 13.462

.05 .15 .25 .2 .5385.35

ABCD E ABCD E ABCD ECES fDB

oBD

= × ∆

+ + + = =

= × + + + = =

i− =

5. Regla C2. CES ABC/DE es la mayor. CES ABC/DE = 114.54.

Especie Fracción Volatilidad Relativaα

CES A Propano 0.05

2.00 12.5 B i-Butano 0.15

C n-Butano 0.25 1.33 26.4

Regla C2. CES AB/C es la mayor. CES AB/C= 26.4. Finalmente, se tiene que la mejor secuencia de separación es la siguiente

ABCDE

ABC

AB

A

B

DE

D

E

C

¿Cuáles serán la segunda y tercera mejor secuencias?

Se considera una segunda secuencia al tomar la segunda CES mayor para ABC CES A/BC = 12.5

Una tercera secuencia se puede obtener a partir de separar A de ABCDE

ABCDE

ABC B

C

A

B

DE

D

E

C

ABCDE

A

D

BBCDE

BC

DE

C

E

Nota:

Aunque CES ABCD/E o CES AB/CDE es mayor que CES A/BCDE existe una restricción dada por la regla (S2) que antecede a la regla (C2) ¿ Cómo defino las condiciones de operación de mi serie de columnas de separación?

2.3 Determinación de las condiciones de operación para las unidades de separación a partir del uso de ASPEN-PLUS Base: 1000 lbmol/hr de alimentación, a condiciones normales

Especie

Presión de Operación en el Domo

para la separación de los componentes clave

[kPa] A Propano

900 B i-Butano

680 C n-Butano

450 D i-Pentano

210 E n-Pentano

Servicios Costo ($/GJ) *Agua de enfriamiento (35°C – 45 °C)

0.354

**Agua de refrigeración (15°C – 25°C)

4.43

+Refrigeración moderadamente bajo (5°C)

4.43

++Refrigeracion baja (-20°C) 7.89 +++Refrigeración muy baja (-50°C) 13.11 °Vapor Baja Presión (5 barg, 160°C) 6.08 °°Vapor Media Presión (10 barg, 184°C) 6.87

Resultados: 1ª. Secuencia

Corrientes de producto Fracción molar a b c d e

A 0.971 0.003 0.000 0.000 0.000B 0.029 0.995 0.006 0.000 0.000C 0.000 0.002 0.993 0.001 0.000D 0.000 0.000 0.001 0.981 0.006E 0.000 0.000 0.000 0.017 0.994

Separador:

ABC/DE

AB/C

D/E

A/B

Relación de reflujo mínimo 2.14 6.52 9.73 3.04

Relación de reflujo actual. 2.56 7.83 11.67 3.65

Número de etapas mínimas 18 44 37 13

Número de etapas reales 36 82 68 25

Etapa de alimentación: 20 50 34 12 Costo Energético

Número de etapas reales arriba de la alimentación 19 49 33 11 en horas Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr): 7.894 14.428 26.100 1.879 $305.83 Requisito Energético del Condensador (GJ/hr): 14.135 13.950 27.590 1.661 $141.54 Temperatura del Destilado (°C):

**37.17 **38.2 *50.2 **23.3 Total Temperatura del Fondo (°C):

°89.45 °63.4 °62.5 °62.0 $447.38 Fracción de Destilado a Alimentación:

0.45 0.442 0.366 0.257 2ª. Secuencia

Corrientes de salidaFracción molar a b c d e

A 0.997 0.003 0.000 0.000 0.000B 0.003 0.980 0.006 0.000 0.000C 0.000 0.017 0.993 0.001 0.000D 0.000 0.000 0.001 0.981 0.006E 0.000 0.000 0.000 0.017 0.994

Separador: . ABC/DE A/BC D/E A/B

Relación de reflujo mínimo 2.14 4.75 9.73 8.98 Relación de reflujo actual. 2.56 5.70 11.67 10.78 Número de etapas mínimas 18 15 37 36 Número de etapas reales 36 29 68 66 Etapa de alimentación: 20 17 34 35 Costo Energético

Número de etapas reales arriba de la alimentación 19 16 33 34 en horas Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr): 7.894 3.230 26.100 14.029 $311.62 Requisito Energético del Condensador (GJ/hr): 14.135 2.321 27.590 14.380 $87.76

Temperatura del Destilado (°C): **37.17 **22.5 *50.2 *49.6 Total Temperatura del Fondo (°C): °89.45 °69.8 °62.5 °63.4 $399.38 Fracción de Destilado a Alimentación: 0.45 0.110 0.366 0.378

3ª. Secuencia Corrientes de salida

Fracción molar a b c d e A 0.997 0.000 0.000 0.000 0.000B 0.003 0.998 0.006 0.001 0.000C 0.000 0.002 0.984 0.012 0.000D 0.000 0.000 0.008 0.970 0.006E 0.000 0.000 0.002 0.017 0.994

Separador: . A/BCDE BC/DE B/C D/E Relación de reflujo mínimo 17.91 1.79 8.86 9.63 Relación de reflujo actual. 21.49 2.15 10.63 11.56 Número de etapas mínimas 18 12 45 37 Número de etapas reales 33 24 83 68 Etapa de alimentación: 18 13 51 35 Costo Energético

Número de etapas reales arriba de la alimentación 17 12 50 34 en horas Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr): 3.410 9.479 14.409 26.088 $324.59 Requisito Energético del Condensador (GJ/hr): 7.880 11.359 13.918 27.406 $99.85

Temperatura del Destilado (°C): **22.53 **41.2 *49.6 *49.6 Total Temperatura del Fondo (°C): °92.11 °85.8 °63.6 °62.5 $424.44 Fracción de Destilado a Alimentación: 0.05 0.421 0.372 0.367

Ejemplo 2: Separación de productos por medio de craqueo térmico

Se desea separa la alimentación para los siguientes productos. AB, C, D, E, F y G. Determine la secuencia de separación por el método heurístico y las condiciones de operación de la serie de columnas a través del uso de ASPEN-PLUS

Especie kmol/hr Punto Normal de ebullición [°C] ∆T CES

A Hidrogeno 18 -253 92 23

B Metano 5 -161 57 19.6

C Etileno 24 -104 16 14.6

D Etano 15 -88 40 18.1

E Propileno 14 -48 6 1.1

F Propano 6 -42

G Butanos 8 -1 41 4.0

Método heurístico

1. Reglas M1 y M2. Usar destilación ordinaria con refrigeración a alta presión. 2. Regla D1. Evitar separar A y B 3. Regla S1. No aplicable. 4. Regla S2. La separación C/D y E/F tienen la menor diferencia en puntos de ebullición (∆T=16

y 6 respectivamente) por lo que se realizará al final en ausencia de los demás componentes. 5. Regla C1. No se aplica. 6. Regla C2. CESAB/CDEFG es la mayor. CESAB/CDEFG=19.6

Nota: Aunque CESA/BCDEFG>CESAB/CDEFG no se aplica a la regla C2 ya que le antecede la regla D1

Especie kmol/hr Punto Normal de ebullición [°C] ∆T CES

C Etileno 24 -104 16 8.93 D Etano 15 -88

40 28.7 E Propileno 14 -48

6 1.58 F Propano 6 -42

G Butano 8 -1 41 5.6

Regla C2. CES CD/EFG es la mayor. CES CD/EFG= 28.7 La primera secuencia de separación es:

ABCDEFG

AB

CDEFG

CD

EFG

C

G

EF

D

E

F

La segunda secuencia se obtiene al tomar la segunda CES para la separación ABCD/EFG. CES ABCD/EFG=5.6

G

ABCDEFG

ABCD

EFG

EF

E

F

AB

CD

C

D

Una tercera secuencia se obtiene al tomar la segunda CES para la separación CDEF/G. CES CDEF/G=18.1

ABCDEFG

AB

CDEFG

CDEF

G

CD

EF

C

D

E

F

Simulación de las secuencias de separación Alimentación a 37.8°C, 4.3 MPa Determinación de la presión de operación en el domo. (Henley & Seader, 1998) Se crea una corriente con los componentes y composiciones estimadas para el destilado.

Especie Alimentación kmol/hr Estimado en Domo kmol/hr A Hidrogeno 18 18 B Metano 5 5×0.99=4.95 C Etileno 24 24×0.01=0.24

D,E,F,G Demasiado pequeñas para el influir en el cálculo

Hay que verificar que no exista un

resultado previo en la simulación para esto se inicializa la simulación

Mediante el análisis de la corriente que se encuentra en el menú herramientas se obtiene los puntos de burbuja y de roció para la corriente a varias presiones. Antes de emplear la herramienta de análisis de corriente se tiene que seleccionar la corriente que se creó

.

Se elige un intervalo de presión en lo que se crea que se encuentre la corriente a la temperatura estipulada en el domo

Se obtiene una gráfica para P vs T para el punto de burbuja y de rocío

de nuestra corriente

De acuerdo al algoritmo para el calculo de la

presión de operación en una columna, no es posible establecer una presión menor de 25.2 bar para tener una temperatura en el domo de 49°C, por lo que se tendrá que emplear un refrigerante para un condensador parcial a una presión de operación de 28.6 bar.

La caída de presión en cada etapa es de 0.1 psi, pero se establece una

caída de presión aproximada para toda la torre de 4 psi. (Henley &

Seader, 1998)

Con la simulación de la 1ª. Torre se tiene la composición de la corriente del fondo que se requerirá para hacer los cálculos de la

segunda torre.

Especie Fondos (1ª Columna) kmol/hr

Estimado en Domo (2ª. Columna) kmol/hr

A Hidrogeno 0 0 B Metano 0.05 0.05 C Etileno 23.76 23.76 D Etano 15 15×0.99=14.85 E Propileno 14 14×0.01=0.14 F Propano 6 0 G Butano 8 0

De la misma manera que para la primera columna, no es posible establecer una presión menor de

25.2 bar para una temperatura de 49°C, por lo que se tendrá que emplear un refrigerante para un condensador parcial a una presión de operación de 28.6 bar.

1ª. Secuencia

Corrientes Fracción molar ab c d e f g

A 0.776 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000B 0.213 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000C 0.010 0.992 0.016 0.000 0.000 0.000D 0.000 0.006 0.975 0.011 0.000 0.000E 0.000 0.000 0.009 0.985 0.023 0.006F 0.000 0.000 0.000 0.004 0.964 0.007G 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013 0.987

Separador: AB

/ C

DEF

G

CD

/ EF

G

C/D

EF/G

E/F

Relación de reflujo mínimo 8.97 1.21 5.35 1.17 12.23 Relación de reflujo actual. 10.77 1.46 6.42 1.40 14.68

Número de etapas mínimas 7 14 31 12 93 Número de etapas reales 13 28 58 25 170 Costo

Etapa de alimentación: 8 12 30 11 100 EnergéticoNúmero de etapas reales arriba

de la alimentación 7 11 29 10 99 en horas

Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr):

0.536 0.578 1.035 0.468 2.456 $30.84

Requisito Energético del Condensador (GJ/hr):

1.353 0.093 1.156 0.288 2.530 $28.60

Temperatura del Destilado (°C): +++ -122.13 ++ -6.2 ++ -15.5 *49.0 *44.3 Total Temperatura del Fondo (°C): °17.43 °83.8 °7.5 °111.6 °53.9 $59.44

Fracción de Destilado a Alimentación:

0.26 0.581 0.611 0.714 0.695

2ª. Secuencia

Corrientes Fracción mol ab c d e f g

A 0.776 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000B 0.213 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000C 0.010 0.992 0.016 0.000 0.000 0.000D 0.000 0.006 0.975 0.011 0.000 0.000E 0.000 0.000 0.009 0.985 0.023 0.006F 0.000 0.000 0.000 0.004 0.964 0.007G 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013 0.987

Separador:

AB

CD

/ EF

G

AB

/CD

EF/G

C/D

E/F



Etapa de alimentación: 14 7 11 30 104 EnergéticoNúmero de etapas reales arriba de la

alimentación 13 6 10 29 103 en horas

Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr): 0.338 0.324 0.468 1.202 2.479 $29.25

Requisito Energético del Condensador (GJ/hr): 0.614 0.686 0.288 1.019 2.712 $26.14

Temperatura del Destilado (°C): +++ -28.37 +++ -122.1 *49.0 ++ -15.5 *48.5 Total Temperatura del Fondo (°C): °83.76 °-7.8 °111.6 °7.5 °58.7 $55.39

Fracción de Destilado a Alimentación: 0.69 0.374 0.714 0.611 0.695 3ª. Secuencia

Corrientes Fracción mol ab c d e f g

A 0.776 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000B 0.213 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000C 0.010 0.992 0.016 0.001 0.000 0.000D 0.000 0.006 0.975 0.011 0.000 0.000E 0.000 0.000 0.009 0.984 0.023 0.006F 0.000 0.000 0.000 0.004 0.964 0.007G 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013 0.986

Separador: AB

/ C

DEF

G

CD

EF/G

CD

/EF

C/D

E/F



Etapa de alimentación: 8 17 11 30 106 EnergéticoNúmero de etapas reales arriba de la

alimentación 7 16 10 29 105 en horas

Requisito Energético del Rehervidor (GJ/hr): 0.536 0.207 0.073 1.035 2.619 $27.18

Requisito Energético del Condensador (GJ/hr): 1.353 0.032 0.280 1.156 2.508 $30.10

Temperatura del Destilado (°C): +++ -122.13 **28.6 ++ -6.2 ++ -15.5 *49.0 Total Temperatura del Fondo (°C): °17.43 °133.8 °67.8 °7.5 °58.7 $57.28

Fracción de Destilado a Alimentación: 0.26 0.880 0.660 0.611 0.695

Referencias 1. Henley, E. J. & Seader, J. D. (1980) Operaciones de separación por etapas de equilibrio en

ingeniería química. Editorial Reverté. México 2. Seider, W.D., Seader, J. D., Lewin, D. R. (2003) Product & Process Design Principles: Synthesis,

Analysis, and Evaluation. Wiley. E.U.A. 3. Douglas, J. M.(1988)Conceptual Design of Chemical Processes. McGraw Hill. E.U.A. 4. Liu. Y.A. (1987) Process synthesis: Some simple and practical development. En. Recent

Developments in Chemical Process and Plant Design. Editores: Y.A. Liu, H.A. McGee. W.R. Epperly. Wiley. E.U.A.

5. Nagdir, V.M. & Liu, Y.A. (1989), Studies in Chemical Process Design and Synthesis: Part V: A

simple Heuristic Method for Systematic Synthesis of Initial Sequences for Multicomponent Separations. AIChE Journal Vol. 29, No. 6 pp 926-934

6. Turton, R., Bailie, R.C., Whiting, W.B., Shaeiwitz, J.A. (2003) Analysis, Synthesis, and Design of

Chemical Processes. 2ª. Edición. Pretince Hall. N.J.

secuencia de separacion

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