Consideraciones Generales en el Diseño de
Equipos de Proceso
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  1. 1. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 1 1 Realizado por: Mg.Mg. Ing. Fanny YadiraIng. Fanny Yadira RobayoRobayo 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo2 Contenido: 1.- Fraccionamiento. Definición. 2.- Equipo principal. 3.- Funcionamiento de las columnas. 4.- Internos. 5.- Procedimiento de diseño. 6.- Consideraciones de diseño. 3 Es un proceso que se utiliza para separar una mezcla en dos o más componentes en virtud de las diferencias de sus volatilidades C1 C2 C3 C4,S GLP -258,73 ºF -161,51 ºC -127,49 ºF -88,6 ºC -43,75 ºF -42,08 ºC Temperatura de ebullición a Patm Los hidrocarburos tienen diferentes volatilidades presentando diferentes puntos de ebullición MásVolátil Mayortemperatura 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo 1.- Fraccionamiento. Definición. EjemploEjemplo 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo4 El fraccionamiento de los componentes de la mezcla se lleva acabo en una columna o torre de fraccionamientocolumna o torre de fraccionamiento Mezcla Componentes más volátiles Componentes más Pesados La volatilidad relativa de dos componentes, determina su dificultad en la separación por fraccionamiento 2.- Equipo principal. 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo5 FeedFeed Componentes más volátiles Componentes más Pesados Se proporciona calor en el fondo Se proporciona frío en el tope Se controlan los compuestos de tope y fondo dependiendo de las diferencias entre los puntos de ebullición Vapor Líquido Tiene 3 componentes importantes: - Calor del Tope - Calor de Fondo - Contacto Vapor – Líquido interno Tiene 3 componentes importantes: - Calor del Tope - Calor de Fondo - Contacto Vapor – Líquido interno 3.- Funcionamiento. Se crea un ∆T entre el tope y el fondo Se crea un ∆T entre el tope y el fondo 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo6 Tope Acumulador Corriente fría Reflujo Producto de tope (Líquido) Medio de enfriamiento Condensador total Agua Aire Refrigerante El reflujo y el producto de tope tiene la misma composición 3.- Funcionamiento.
  2. 2. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 2 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo7 Tope Acumulador Reflujo Producto de tope (Vapor) Medio de enfriamiento Condensador parcial El producto de tope en fase vapor esta en equilibrio con el reflujo 3.- Funcionamiento. 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo8 Producto de fondo Fondo Vapor Medio de calentamiento Aceite Vapor Rehervidor 3.- Funcionamiento. 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo9 4.- Internos. Platos Bandejas o platos donde se ponen en contacto el vapor y el líquido Empaque aleatorio Empaques La columna esta rellena de piezas que sirven de superficie para el intercambio entre el vapor y el líquido Empaque estructurado La columna esta rellena de piezas corrugadas estructuradas 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo10 Paso 1. Balance de masa alrededor de la torre Datos requeridos: V D L B Zi F Feed: Flujo y composición. Especificaciones de los productos deseados: Composición, % de recuperación, ó flujos. 5.- Procedimiento de diseño. C1 C6 C2 C3 C4,S C5,S Los dos componentes que se desean separar se llaman claves o llavesclaves o llaves El más volátil = clave liviano C3 El menos volátil = clave pesado iC4 Para los cálculos se asume que en el tope no hay otro comp. mas pesado que el clave pesado y viceversa Establecen las distribuciones de los componentes 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo11 5.- Procedimiento de diseño. Paso 2. Condiciones de operación de la torre. V D R L B F Temperatura del tope Medio de enfriamiento utilizado en el condensador Presión de operación Fluidos más utilizados: Agua ( 90 °F 110 °F ) Aire ( 100 °F 130 °F ) Refrigerante (temperaturas en el tope menores de 95 °F) Fluidos más utilizados: Agua ( 90 °F 110 °F ) Aire ( 100 °F 130 °F ) Refrigerante (temperaturas en el tope menores de 95 °F) TTope = Tf.enf + ∆T (establecida por el diseñador) ∆T≈ 10 °F∆T≈ 10 °F 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo12 P T Líq. Vapor Mezcla Curva de burbujeo Ttope Pburbuja Si es líquido P T Líq. Vapor Mezcla Curva de rocío Ttope P rocio Si es vapor V D R L B F D Con la Ttope calculada se estima la Presión en el acumulador 5.- Procedimiento de diseño. Paso 2. Condiciones de operación de la torre. Presión de operación
  3. 3. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 3 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo13 V D R L B F D Con la Pacum calculada se estima la Presión en el tope 5.- Procedimiento de diseño. Paso 2. Condiciones de operación de la torre. Presión de operación Pop Pérdidas depresión Pop_tope = Pacumulador + ∆P (a través del condensador y la línea de vapores de tope) Pop_tope = Pacumulador + ∆P (a través del condensador y la línea de vapores de tope) ∆P ≈ 5 - 15 psi∆P ≈ 5 - 15 psi A medida que P , la T de burbuja disminuyendo los costos en el condensador 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo14 V D R L B F D 5.- Procedimiento de diseño. Paso 2. Condiciones de operación de la torre. Presión de operación Pop Pérdidas depresión Medio de enfriamiento Agua, Aire Refrigerante Se prefiere aumentar presión que sustituir el medio de enfriamiento o tiene reflujo 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo15 Temperatura de fondo P T Líq. Vapor Mezcla Curva de burbujeo Tburbuja Pop B es líquido saturado V D R L B F Pfondo= Pop +∆PPfondo= Pop +∆P 5.- Procedimiento de diseño. Paso 2. Condiciones de operación de la torre. Con la Pop calculada se estima la Presión en el fondo ∆P ≈ 2 - 10 psi∆P ≈ 2 - 10 psi 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo16 Número de etapas requeridas para el contacto L-V. Paso 3. Número de etapas teóricas (Nt) y reflujo R Platos teóricos HETP 5.- Procedimiento de diseño. El diseño de una columna de fraccionamiento es un problema de inversión inicial vs costo de energía El reflujo afecta directamente la cantidad de energía que la torre necesita La cantidad de etapas incrementa el costo de la torre D V Lo L B F La cantidad de reflujo afecta la calidad del producto A medida que R ↑ aumenta el grado de separación ↑ El reflujo afecta directamente al condensador y al rehervidor FUG Diseño de Plantas - F. Y. Robayo17 OTAOTA:: Los resultados obtenidos hasta este punto deben ser validados por un procedimiento riguroso. Puede ser un procedimiento manual, etapa por etapa. Puede ser por un proceso automatizado, por simulación con PRO/II, ASPEN, etc. 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo18 Paso 4. Selección de tipos de interno 5.- Procedimiento de diseño. Diámetro requerido Altura de la torre ∆P de la torre Factor a considerar Empaques Preferibles para D < 3 ft, ya que diámetros más grandes son más costosos por volumen de empaque. Preferible para torres pequeñas, ya que mucha altura puede producir la deformación del empaque y mala distribución de líquido. En sistemas que requieren baja ∆P, especialmente en sistemas de vacío. Platos Preferible para D más grandes. Si el D< 3 ft resulta difícil acceder al interior de la torre para la instalación y mantenimiento de los platos. Preferible para torres altas (mayor número de etapas teóricas). La ∆P es alta, ya que cada plato equivale a una restricción de flujo.
  4. 4. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 4 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo19 Paso 4. Selección de tipos de interno 5.- Procedimiento de diseño. Flujo de líquido Contaminantes del fluido Producción de espuma Tensión superficial < 20 dina/cm Factor a considerar Empaques Debe haber suficiente líquido para que no se produzcan problemas de distribución. Se prefieren con fluidos corrosivos. La variedad de materiales utilizados es mucho mayor que usados en platos. Menor tendencia a la formación de espuma debido a que las velocidades del líquido son bajas Platos Generalmente es más económico para manejar flujos grandes de líquido Los platos pueden ser manufacturados con materiales no metálicos, pero son más costosos Mayor tendencia a la formación de espuma, por las altas velocidades de líquido. Produce problemas en la distribución de líquido 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo20 D H 5.- Procedimiento de diseño. Paso 5. Cálculo del diámetro de la columna. Calcule un diámetro de la columna preliminar, asumiendo una velocidad superficial (vs) es de 2 ft/s, con las ecuaciones: Para ello, Donde Vv es el caudal del vapor en una de las etapas ft3/s Se verifica si este D coincide con algún diámetro comercial, sino se ajusta al más cercano. Luego se calcula la vs con este valor de D obtenido. ota: Este procedimiento se sigue para al menos 1 etapa en el tope y 1en el fondo Diseño de Plantas - F. Y. Robayo21 Establezca el factor de inundación (k) para el plato con la gráfica 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 5. Cálculo del diámetro de la columna. Diseño de Plantas - F. Y. Robayo22 Para el espaciado entre platos utilice los siguientes datos: 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 5. Cálculo del diámetro de la columna. Espaciamiento Silla, H (2003) Más comunes 18” y 24” Con platos tipo válvula, usar entre 30” – 36” Diseño de Plantas - F. Y. Robayo23 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 5. Cálculo del diámetro de la columna. Campbell, J(2003) Si el sistema tiende a formar espuma: Establezca el factor de arrastre (kv) para el plato. Si el sistema no tiende a formar espuma: Valores de Kv para algunos servicios 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo24 5.- Procedimiento de diseño. Paso 5. Cálculo del diámetro de la columna. Calcule la velocidad del vapor vv Ajuste el D considerando el factor de seguridad, según los criterios mostrados a continuación. Se verifica si este Df coincide con algún diámetro comercial, sino se ajusta al más cercano.
  5. 5. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 5 17/03/2014Diseño de Plantas - F. Y. Robayo25 5.- Procedimiento de diseño. Paso 6. Cálculo de la altura de la columna. D H Para columnas por platos Obtenga el valor de la eficiencia (eficiencia (EEoo)) de la gráfica mostrada a continuación. Silla, H (2003) Diseño de Plantas - F. Y. Robayo26 Calcule el número de platos (Nr) Ajuste el r calculado considerando el factor de seguridad 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 6. Cálculo de la altura de la columna. Para columnas por platos donde t corresponde a las etapas de contacto, sin contar el condensador y/o el rehervidor Diseño de Plantas - F. Y. Robayo27 Calcule la separación en el fondo para el rehervidor. Considere la separación en el tope. Aprox. 4 ft (1.22 m) 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 6. Cálculo de la altura de la columna. Para columnas por platos Diseño de Plantas - F. Y. Robayo28 Calcule la separación en el fondo para el rehervidor. Considere la separación en el tope. Aprox. 4 ft (1.22 m) 17/03/2014 5.- Procedimiento de diseño. Paso 6. Cálculo de la altura de la columna. Para columnas empacadas La HETSHETS es calculada por las siguientes ecuaciones: Diseño de Plantas - F. Y. Robayo29 Las Consideraciones de Diseño (CD) son los lineamientos generales a considerar al momento de realizar el diseño. Estas muestran los limites permitidos en el diseño de acuerdo a la experiencia de expertos en la materia. 17/03/2014 6.- Consideraciones de diseño. Las torres o columnas de fraccionamiento son unidades de proceso consideradas como EQUIPOS MAYORES. Las torres o columnas de fraccionamiento son unidades de proceso consideradas como EQUIPOS MAYORES. Por lo que se presta mucha atención a su especificación, para garantizar la optimización del proceso y la minimización de los costoscostos. Por lo que se presta mucha atención a su especificación, para garantizar la optimización del proceso y la minimización de los costoscostos. Diseño de Plantas - F. Y. Robayo30 1.- La altura de la torre no debe exceder los 175 ft, porque puede tener problemas con las fundaciones y el viento. 2.- La relación entre la longitud y el diámetro de una torre no debe ser mayor de 30 y preferiblemente por debajo de 20. 3.- Caída de presión: Normalmente se permite una caída de presión de 0.3 a 0.7 bar (4 a 10 psi) a través de la columna. 4.-La velocidad de vapor en la parte superior de la torre debe oscilar entre 1.5 y 2.5 ft/s. 5.- La relación de reflujo debe estar en R/Rmin= 1.1-1.5. 17/03/2014 6.- Consideraciones de diseño.
  6. 6. Consideraciones Generales en el Diseño de Equipos de Proceso 19/03/2014 6 Diseño de Plantas - F. Y. Robayo31 6.- Eficiencia del plato condiciones mínimas es de 70% aproximadamente. 7.- Para las mezclas ideales, la volatilidad relativa puede ser tomado como la proporción de componente puro presión de vapor. 17/03/2014 6.- Consideraciones de diseño. Diseño de Plantas - F. Y. Robayo32 Fin 17/03/2014

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