Caso%201.docx

Caracterización de la columna de destilación fraccionada Estudio de caso: Determinación del flujo óptimo de alimentación y la relación mínima de

reflujo

Por Mariana Mora Ardila Miguel Ángel Forero Sebastián García

Laboratorio de operaciones de separación Departamento de ingeniería Química Profesor Jairo Rubiano

Asignado: febrero 22, 2019 Fecha límite: marzo 08, 2019 Presentado: marzo 08, 2019

Tabla de contenido Resumen ............................................................................................................................................. 3 1.

Introducción............................................................................................................................... 4

2.

Marco teórico ............................................................................................................................. 4 2.1 Destilación fraccionada ............................................................................................................. 4 2.2 Equilibrio etanol-agua ............................................................................................................... 5 2.3 Especificaciones del equipo de destilación ............................................................................... 5

3.

Materiales y procedimiento ...................................................................................................... 8 3.1 Procedimiento ........................................................................................................................... 9 3.2 Operación del equipo................................................................................................................. 9

4.

Resultados y discusión .............................................................................................................. 9

5.

Conclusiones y recomendaciones ........................................................................................... 12

Referencias ....................................................................................................................................... 12

Tabla de figuras FIGURA 1 ESQUEMA GENERAL COLUMNA DE DESTILACIÓN [3] .......................................................... 5 FIGURA 2 ESQUEMA DE LAS CORRIENTES EN LOS PLATOS DE UNA COLUMNA .................................... 6 FIGURA 3 LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN.................................................................................................. 7 FIGURA 4 DIAGRAMA EQUIPO DE DESTILACIÓN UOP3CC. ARMFIELD CO. UK [5] ............................ 8 FIGURA 5 RESULTADOS SHORTCUT COLUM ASPEN HYSYS 1 ............................................................ 10 FIGURA 6 RESULTADOS SHORTCUT COLUM ASPEN HYSYS 2 ............................................................ 10 FIGURA 7 RESULTADOS RADFRAC ASPEN HYSYS 1 .......................................................................... 11 FIGURA 8 RESULTADOS RADFRAC ASPEN HYSYS 2 .......................................................................... 11 FIGURA 9 RESULTADOS RADFRAC ASPEN HYSYS 3 .......................................................................... 12

Tabla de anexos ANEXO 1 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO T XY AGUA- ETANOL A 1ATM................................................ 13 ANEXO 2 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO XY AGUA-ETANOL ................................................................. 13

Resumen Actualmente el laboratorio de ingeniería química de la universidad de la sabana cuenta con una columna de destilación Armifield UOP3CC la cual cuenta con 2 secciones aisladas con 4 platos de tamiz de 50mm de diámetro cada una; para un total de 8 etapas de equilibrio. Y es capaz de producir una corriente de destilado con composición molar del 60% de etanol. Según los resultados obtenidos de la simulación en Aspen, se evidencio que el plato óptimo para la corriente de alimentación de la mezcla agua-etanol al 30% es el numero 3 a una velocidad de flujo de 1502ml/h, para obtener una corriente de destilado cuya fracción molar es 0.63 y una fracción molar en la corriente de fondos de 0.09. Teniendo el cuenta que la relación de reflujo óptimo de operación obtenida en el simulador fue de 0.078 Se recomienda mantener la columna bien aislada para no tener perdidas de calor y aumentar la eficiencia de la operación, así como el control de los flujos de las corrientes de reflujo y boil-up para que la operación sea eficiente y los datos experimentales obtenidos cumplan con los requerimientos de flujo y fracción molar requeridos. Adicionalmente, se recomienda realizar cuidadosamente la curva de calibración de índice de refracción para tener resultados confiables.

1. Introducción “La destilación era ya una técnica conocida en China alrededor del año 800 a.C. empleándose para obtener alcoholes procedentes del arroz”, de igual forma se tiene conocimiento de este proceso en el antiguo Egipto, Grecia, Roma y fue perfeccionada por los árabes; en un principio se destilaban frutas y flores para obtener perfumes, maquillaje y bebidas alcohólicas. [1] La destilación es una operación unitaria ampliamente utilizada en los procesos químicos, basados en la transferencia de masa entre las dos fases liquido-vapor que se encuentran en equilibrio. Adicionalmente, es una de las operaciones que mas consumen energía dentro de la industria química. En estados unidos las columnas de destilación representan el 40% de la energía total requerida por la industria[2], lo cual representa un gran reto para el diseño de columnas mas eficientes para lograr reducir el consumo energético, aumentar el porcentaje de pureza y disminuir los costos dentro de las plantas El objetivo fundamental de este caso de estudio es determinar las condiciones de operación optimas que garanticen las fracciones molares de etanol en las corrientes de destilados 60% y de fondos 5% y que minimicen el consumo energético al operar la columna del laboratorio de la universidad de la sabana con 8 etapas de equilibrio bajo las condiciones de reflujo optimo determinado a partir del uso del simulador Aspen. 2. Marco teórico La destilación es una operación de separación basada en la diferencia de puntos de ebullición de los diferentes compuestos presentes en una mezcla. Cuanto mayor sea la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancia, más eficaz será la separación; es decir, los componentes se obtendrán grado de pureza mayor. [3] La técnica consiste en agregarle calor a la mezcla hasta que ésta entre en ebullición. En este momento se formarán dos fases en equilibrio liquido-vapor. Los vapores en equilibrio con el líquido se enriquecen en el componente de la mezcla más volátil y el liquido se enriquece en el componente mas pesado. [3] “El fundamento teórico de esta técnica de separación se basa en la ley de Dalton y en la ley de Raoult. A partir de estas leyes de puede deducir que, si se tiene una mezcla líquida en equilibrio con su vapor, la fracción molar de cada componente de la mezcla en estado gaseoso (comportamiento ideal) está relacionado con las presiones de vapor de los componentes puros y con las fracciones molares de los mismos en estado líquido” [3] a partir de la siguiente expresión 𝑃0 𝑋

𝑌𝑖 = ∑𝑃𝑖 0 𝑋𝑖 𝑖

𝑖

(1)

En donde Yi corresponde a la fracción molar del componente en la fase gaseosa, Xi es la fracción molar en fase liquida y 𝑃𝑖0 es la presión de vapor de cada componente puro. 2.1 Destilación fraccionada En este tipo de operación la mezcla pasa por diferentes ciclos de evaporación y condensación a lo largo de la columna de destilación. Esta operación genera procesos mucho mas eficientes y corrientes de destilado y fondos mucho mas puras. [3] Es ampliamente utilizada cuando los puntos de ebullición

de los componentes que se desean separar son cercanos y por lo tanto resultaría poco practico el uso de una columna de destilación sencilla. A nivel industrial el intercambio de masa se lleva a cabo en los platos, en los cuales el liquido desciende desde la parte alta de la columna y la corriente de vapor asciende enriqueciéndose en el componente más volátil a medida que avanza por cada uno de los platos. “La sucesiva condensación y evaporación de los vapores en los platos de la columna origina una gran concentración de componentes volátiles cerca de la parte superior de la columna. Teóricamente, puede obtener de esta forma el 90% de volumen alcohólico.”[4] 2.2 Equilibrio etanol-agua La separación de los componentes de la mezcla por destilación depende de la diferencia entre los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla. Además, dependiendo de las concentraciones de los componentes, la mezcla líquida tendrá diferentes características de equilibrio, estas condiciones se muestran en el diagrama TXY (Anexo A) y XY (Anexo B) Los azeótropos se forman cuando los dos componentes de la mezcla tienen puntos de ebullición muy cercanos a una concentración determinada por lo cual resulta casi imposible separarlos por destilación, sin embargo se registra que el azeótropo formado en la mezcla de interés para este caso de estudio (Etanol-Agua) se da a una fracción molar de etanol en la fase liquida de 0.9 por lo cual no se tiene interferencia con el proceso que se describe ya que la concentración requerida en la corriente de destilado es del 60% a la cual la diferencia de puntos de ebullición es suficiente para lograr una separación optima 2.3 Especificaciones del equipo de destilación Las columnas de destilación contienen platos (etapas) donde se efectúa el contacto entre la fase liquida y el vapor. El liquido llega desde el plato superior por la bajante hasta el siguiente plato donde se mezcla con el vapor que sube desde las etapas inferiores. [2] El esquema general para una columna de destilación de 5 platos se muestra en la Figura 1

Figura 1 Esquema general columna de destilación [3]

Para el diseño y análisis de una columna de destilación es necesario tener en cuenta diferentes variables de proceso que serán necesarias al momento de especificar las condiciones de operación del equipo, algunas de estas variables son: [2]       

Presión de la columna Tasa y composición de la corriente de alimentación Temperatura, entalpia o calidad de la alimentación Temperatura o entalpia de la corriente de reflujo Fracción molar del componente más volátil en el destilado Fracción molar del componente más volátil en los fondos Tipo de condensador y reboiler

Para calcular las variables que no están especificadas se deben realizan los balances globales de la columna y los balances internos de cada una de las etapas de equilibrio. Teniendo en cuenta lo anterior los balances globales de la columna de destilación con condensador total y reboiler parcial son: 𝐹 = 𝐷+𝐵 𝐹𝑍 = 𝐷𝑋𝐷 + 𝐵𝑋𝐵

(2) (3)

Para realizar los balances internos se tienen en cuenta las corrientes de entrada y salida a cada uno de los platos las cuales se muestran a continuación

Figura 2 Esquema de las corrientes en los platos de una columna

De esta forma para cualquier plato n el balance de materia y el balance por componentes respecto al más volátil resultan en: 𝑉𝑛−1 + 𝐿𝑛+1 = 𝑉𝑛 + 𝐿𝑛 𝑉𝑛−1 (𝑌𝑛−1 ) + 𝐿𝑛+1 (𝑋𝑛+1 ) = 𝑉𝑛 (𝑌𝑛 ) + 𝐿𝑛 (𝑋𝑛 )

(4) (5)

Al asumir el método de Lewis (constant molar overflow) en la sección de enriquecimiento los flujos molares internos pueden considerarse constantes por lo cual; Ln+1 y Ln son equivalentes a L y Vn y Vn+1 Son igual a V. teniendo en cuenta esto y al realizar el balance sobre el condensador se obtiene que:

𝑉𝑌 = 𝐿𝑋 + 𝐷𝑋𝐷

(6)

Al despejar la ecuación 6 se obtiene: 𝐿

𝐷

𝑌 = 𝑉 𝑋 + 𝑉 𝑋𝐷

(7)

En la sección de arrastre los flujos molares internos se denominan como L* y V*, al realizar el balance correspondiente sobre el reboiler se obtiene que 𝑉 ∗ 𝑌 = 𝐿∗ 𝑋 + 𝐵𝑋𝐵

(8)

Y al despejarla en función de Y 𝐿∗

𝐵

𝑌 = 𝑉 ∗ 𝑋 − 𝑉 ∗ 𝑋𝐵

(9)

La ecuación 7 se denomina línea de operación de la sección de enriquecimiento y la 9 línea de operación de arrastre. Para determinar la línea de la corriente de alimentación se debe tener en cuenta la fase en la cual esta ingresa a la columna, en la siguiente figura se muestran las diferentes pendientes que puede tomar esta recta según las condiciones de alimentación.

Figura 3 Líneas de alimentación

El balance total en la zona de alimentación es, F+V*+L=L*+V

(10)

La relación de reflujo de establece como 𝐿

𝑅=𝐷

(11)

Para el cálculo de los flujos de las corrientes de servicio es necesario hacer un balance de energía global (ecuación 12) y en el condensador (ecuación 13)

𝐹 ∗ ℎ𝐹 + 𝑄𝑟 = 𝐷 ∗ 𝐻𝐷 + 𝐵 ∗ ℎ𝐵 + 𝑄𝑐

(12)

Donde Qc y Qr son el calor del condensador y el reboiler respectivamente

𝑉 ∗ 𝐻𝑉 = 𝐿 ∗ 𝐻𝐿 + 𝐷 ∗ ℎ𝐷 + 𝑄𝑐

(13)

Además, considerando un condensador total, se tiene que: ℎ𝐿0 = ℎ𝐷 , quedando el balance de energía del condensador como sigue: 𝑄𝑐 = 𝑉1 ∗ (𝐻𝑉1 − ℎ𝐿0 )

(14)

Determinando el calor del condensador se reemplaza en la ecuación 12 y se obtiene el calor necesario en el reboiler La columna de destilación UOP3CC Armifield que se encuentra en el laboratorio de la universidad de la sabana, esta compuesta por dos secciones de vidrio aisladas y cada una contiene 4 platos tipo tamiz. Las secciones están separadas por una sección de alimentación central y están dispuestas verticalmente para obtener un flujo de vapor y liquido a contracorriente. [5] La columna tiene un reboiler fabricado de acero inoxidable está situado en la base de la columna en el cual se puede realizar una destilación continua o discontinua y un condensador de bobina ubicado en la parte superior el cual utiliza agua como corriente de enfriamiento. [5] 3. Materiales y procedimiento La siguiente figura muestra un diagrama de la columna del laboratorio de la universidad de la sabana

Figura 4 Diagrama equipo de destilación UOP3CC. Armfield Co. UK [5]

El equipo de destilación con reboiler parcial y condensador total funciona a presión atmosférica, se utiliza agua como fluido de servicio de enfriamiento en el condensador de la parte superior que es un intercambiador de paso sencillo. [5] La mezcla de alimentación es bombeada por la bomba (7). El reboiler (13) se puede utilizar de forma continua o discontinua. En funcionamiento continuo, la válvula (V1) está abierta y el producto del fondo fluye desde el reboiler a través del enfriador del producto del fondo (15) hasta el tanque del producto del fondo (9). Para la operación por lotes, la válvula (V1) permanece cerrada, de modo que el reboiler puede llenarse con la carga inicial (10 a 12 litros) de la mezcla binaria. El vapor que sale de la parte superior de la columna pasa a un condensador (8) de bobina con carcasa refrigerado por agua, La cubierta del condensador incorpora una válvula de alivio de presión (PRV1) para proteger el sistema en caso de un fallo de ventilación bloqueado y un fallo de agua de refrigeración. El agua de refrigeración ingresa al condensador a una velocidad regulada a través de un medidor de flujo de área variable (FI1) y el caudal se controla mediante la válvula de diafragma (V5). Un suministro de agua de refrigeración está conectado a la boquilla de entrada (19) y también sirve para operar la bomba de vacío (20) cuando se requiere operación a presión reducida. El suministro de agua a la bomba de vacío es controlado por la válvula (V14), que solo debe operarse cuando la válvula (V5) está abierta. [5] 3.1 Procedimiento Para llevar a cabo la separación y purificación de la mezcla binaria en estudio, en primer lugar, realiza una curva de calibración índice de refracción vs composición. Posteriormente, se prepara una solución acuosa con una concentración de 30% v/v de etanol y se establece el flujo volumétrico de alimentación en 150ml/h y un reflujo mínimo de 0.083. Una vez se alcanza el sistema estacionario dentro del equipo, es posible la recolección de muestras en destilados, fondos y de la alimentación al final del proceso. Finalmente se toman los índices de refracción de las muestras recolectadas para determinar la composición de las corrientes de salida. 3.2 Operación del equipo A continuación, se describe el proceso de operación de la columna [5] 1. Verificar el estado del equipo 2. Abrir el software en el computador 3. Ingresar los datos de alimentación y establecer el flujo del condensador 4. Verificar la posición de las válvulas y conexiones para la operación deseada. 5. Abrir la válvula de agua de refrigeración ubicada detrás de la columna. 6.Verificar el funcionamiento de la válvula de reflujo con la configuración seleccionada correctamente. 4. Resultados y discusión Los flujos volumétricos, la relación de reflujo y el plato optimo de alimentación para el presente caso de estudio se simularon en Aspen Hysys. En primer lugar, se utilizó el shortcut colum para determinar la relación de reflujo mínimo, el número de platos mínimos para completar la operación y el flujo volumétrico de la corriente de alimentación. Los resultados se muestran a continuación.

Figura 5 Resultados shortcut colum Aspen Hysys 1

Figura 6 Resultados shortcut colum Aspen Hysys 2

Como resultados de la simulación en la figura 5 se muestran los resultados obtenidos para el plato optimo de alimentación n=3 y en la figura 6 se muestra el resultado para el valor de reflujo optimo el cual para la operación de este caso de estudio es 0.083 y la relación de reflujo mínimo de 0.018. Los resultados obtenidos convergen para obtener el número total de platos de la columna del laboratorio (n=8)

Con los resultados obtenidos se montó una columna Radfrac poniendo la alimentación en el plato 3 y estableciendo el flujo volumétrico de la alimentación en 150ml/h, los resultados se muestran a continuación

Figura 7 Resultados radfrac Aspen Hysys 1

Figura 8 Resultados radfrac Aspen Hysys 2

Figura 9 Resultados radfrac Aspen Hysys 3

Como resultado de la simulación se pudo comprobar que con las especificaciones determinadas anteriormente (plato de alimentación, relación de reflujo, flujo de alimentación, presión de operación, etc.) si se logran las fracciones molares de las corrientes de salida. En la figura 9 se muestra que la fracción molar de etanol a la salida del condensador es de 0.6153 y la fracción de etanol en la corriente de fondos es de 0.048 las cuales cumplen con las especificaciones requeridas en el caso 5. Conclusiones y recomendaciones De acuerdo con la simulación el plato óptimo de alimentación (n=3) no corresponde al de la columna del laboratorio en la cual la alimentación se da en el cuarto plato, esto puede generar cambios en las fracciones molares de las corrientes de destilado y de fondos. Se recomienda tomar las muestras de los resultados cuando la columna haya alcanzado su estado estable ya que esto dará mayor confiabilidad en los resultado, se recomienda llevar a cabo cuidadosamente el proceso de la toma de datos de la curva de calibración al igual que la preparación de las soluciones patrón. Por ultimo se recomienda evitar las fugas y mantener la columna bien aislada para mejorar la calidad de los datos Referencias [1]

[2] [3] [4] [5] [6]

“Historia de la destilación. Origen de los licores y destilados.” [Online]. Available: https://www.verema.com/blog/licores-destilados/979233-historia-destilacion-origen-licoresdestilados. [Accessed: 06-Mar-2019]. P. C. Wankat, Ingeniería de procesos de separación, Segunda ed. Mexico: Pearson educación, 2008. “Destilación.” [Online]. Available: https://ocw.unizar.es/ciencias-experimentales/tecnicas-basicas-delaboratorio-quimico/teoria/Destilacion_teoria.pdf. [Accessed: 06-Mar-2019]. “Destilación Fraccionada.” [Online]. Available: https://www.copperalembic.com/es/pagina/destilacion-fraccionaria. [Accessed: 06-Mar-2019]. “CONTINUOUS DISTILLATION COLUMN Instruction Manual UOP3CC,” 2011. O. P. Ones, J. Díaz Rodríguez, L. Zumalacárregui, and O. G. León, “Evaluación de propiedades termodinámicas de mezclas etanol-agua (I) Evaluation of thermodynamics properties of ethanol-water mixtures (I).”

ANEXO A T-xy diagram for ETHANOL/WATER

102

x 1,0133 bar y 1,0133 bar

100 98 96

92 90 88 86 84 82 80 78 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45 0,50 0,55 0,60 Liquid/vapor mole fr action, ETHANOL

0,65

0,70

0,75

0,80

Anexo 1 Diagrama de equilibrio T XY agua- etanol a 1atm

ANEXO B 1,00

y-x diagram for ETHANOL/WATER

0,95

1,0133 bar

0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 Vapor mole fraction, ETHANOL

Temperature, C

94

0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 Liquid/vapor mole fr action, ETHANOL

Anexo 2 Diagrama de equilibrio XY agua-etanol

0,85

0,90

0,95

1,00

Anexo 3 Diagrama de Entalpia Vs Concentración de etanol