Secuencias de Columnas (anterior)                                                    Termodinámicamente equivalentes (siguiente)

Destilación con Acoplamiento Térmico

José Antonio Caballero

Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Alicante

 

EJEMPLOS

Contenidos



Ejemplo 1. Separación de una Mezcla de Hidrocarburos Lineales

 

Este ejemplo consiste en la separación de una mezcla de 5 hidrocarburos lineales, desde n-hexano hasta n-decano. Todos los datos específicos para este problema se dan en la Tabla 1. Para obtener configuraciones realistas se han añadido algunas restricciones al problema. Sólo se permiten configuraciones con el mínimo número de secciones de columna, en otras palabras, sólo se permiten estados intermedios generados, como mucho, por una contribución. Para minimizar los problemas de operación se ha obligado a que un condensador (caldera) pueda cambiar calor con una única caldera (condensador), y además, para una columna dada o bien el condensador o bien la caldera pueden formar parte de la integración de calor, pero no ambos simultáneamente.

En todos los ejemplos el área de la columna se calcula utilizando la correlación de Fair (76). Los costes de inversión e instalación se estimaron utilizando las correlaciones para recipientes a presión verticales, elementos internos de columnas, condensadores y calderas presentados en Turton y col (77). Para estimar el número total de pisos se utilizó la sugerencia de Douglas (78). para diseño preliminar, de forma que el número de pisos se hace igual a dos veces el mínimo y se asume que el reflujo óptimo es de 1.2 veces el reflujo mínimo. Todas las propiedades físicas se obtuvieron de Poling y col (79).

Para resolver el problema MINLP resultante, dada su complejidad, es necesario desarrollar algoritmos de descomposición especiales. Dado que este trabajo se centra fundamentalmente en aspectos relacionados con la generación de secuencias no incluiremos todas las consideraciones puramente matemáticas necesarias, sin embargo el lector interesado puede encontrar información detallada en el trabajo de Caballero y Grossmann (52).

La mejor solución obtenida se presenta en la Figura 25a, con un Coste Total Anualizado de 920000 $/año. Si se obliga al algoritmo a continuar con las iteraciones para encontrar las siguientes soluciones se observa que hay un número importante de ellas con diferencias de alrededor del 6% respecto a la mejor solución. Es de interés señalar que, curiosamente los cambiadores de calor sólo aparecen cuando son necesarios para la integración de calor (excepto, por supuesto, los asociados a los componentes más y menos volátil). En el resto del sistema todas las conexiones entre columnas las llevan a cabo acoplamientos térmicos.

Si ahora se repite el ejemplo 1, pero manteniendo la presión constante la mejor solución obtenida presenta una estructura ligeramente modificada (El estado AB aparece en la solución y el estado CD se elimina). Véase Figura 25b. El coste total anualizado aumenta hasta 1051000 $/año que es un 14.2% mayor. Las posibilidades de integración de calor disminuyen, pero la configuración óptima continúa aprovechando las oportunidades para integración de calor. Sin embargo, la característica más importante es que aparece un cambiador de calor interno que no forma parte de la integración energética. Eliminando este cambiador de calor y sustituyéndolo por un acoplamiento térmico se disminuyen algo los requerimientos energéticos, pero aumenta el flujo de vapor a través del sistema y por lo tanto el efecto neto es un aumento del coste total.

Si se considera la solución sin integración de calor, el coste aumenta un 32% (TAC = 1221000$/año). La mejor solución incluye acoplamiento térmico total, y además la secuencia de tareas es completamente diferente a la mejor solución (Figura 25c)

Figura 25.- . Mejores soluciones para el ejemplo 1. (a) Con integración de calor. (b) Con integración de calor pero presión constante. (c) Sin integración de calor.

Tabla 1. Datos para el ejemplo 1

Volver Inicio

Ejemplo 2. Separación de una Mezcla de Alcoholes

En este ejemplo se considera la separación de una mezcla de 5 alcoholes. Los datos necesarios para este ejemplo se muestran en la Tabla 2. Las diferencias en volatilidad relativa de los componentes es más pequeña que en el caso anterior. Por lo tanto, en este ejemplo es esperable que, al menos desde el punto de vista de consumo de energía, la secuencia óptima tenga tendencia a ser una secuencia con alto grado de acoplamiento térmico. Sin embargo, esto dependerá de los costes relativos de inversión e instalación, ya que los beneficios energéticos de los acoplamientos térmicos llevan consigo un aumento de los flujos de vapor en algunas secciones que pueden aumentar de forma importante los diámetros de algunas columnas.

La mejor secuencia obtenida (CTA = 1180000 $/año) para este problema se muestra en la Figura 26a, donde se pone de manifiesto nuevamente que la integración de energía entre columnas, cuando es posible permite ahorros energéticos (sin aumentar sustancialmente los costes de inversión).

Cuando no es posible la integración energética la presencia o no de cambiadores de calor intermedios balancean los beneficios de la reducción de consumo de energía con el aumento de los costes de las columnas. Así, en el estado ABC aparece un cambiador de calor (condensador) mientras que el resto del sistema mantiene el acoplamiento térmico total.

Si se obliga a la presión a permanecer constante, dada la pequeña diferencia de volatilidades no es factible, en el intervalo de presiones permitido, la integración de energía entre columnas.. La secuencia óptima de estados y tareas cambia ligeramente y el sistema final es un sistema con un elevado acoplamiento térmico. Figura 26b. El coste total anualizado es de alrededor de un 30% mayor que cuando se considera integración energética.

Tabla 2. Datos para el ejemplo 2

Figura 26.- Mejor solución para el ejemplo 2. (a) con integración de calor. (b) Sin integración de calor

Volver Inicio

Ejemplo 3. Separación de una Mezcla de Aromáticos

En este ejemplo el objetivo es separar una mezcla de benceno, tolueno, etilbenceno, estireno y a-metilestireno. Los datos relevantes se dan en la Tabla 3.

El coste total anual fue de 1267000 $/año. Véase la Figura 27.  En este ejemplo las diferencias en volatilidades entre el benceno y el tolueno y el resto de los componentes es relativamente grande. La solución óptima sigue la muy conocida regla heurística “Llevar a cabo primero la separación más sencilla”. Sin embargo, el tolueno no se separa completamente en una única simple columna (tarea) y aparece presente en tres tareas diferentes de separación. Así pues, aunque en un sentido general las reglas heurísticas válidas para sistemas convencionales lo siguen siendo en sistemas con acoplamiento térmico, hay que tener precaución porque dichas reglas tienen diferentes formas de llevarse a cabo en estos sistemas.

Figura 27.- Mejor secuencia de columnas para el ejemplo 3. A la derecha se representa la secuencia de estados y tareas con los intercambios de calor marcados con líneas discontinuas

Tabla 3.- Datos para el ejemplo 3.

Volver Inicio

Referencias

52.- Caballero, J. A.; Grossmann, I. E., Structural considerations and modeling in the synthesis of heat-integrated-thermally coupled distillation sequences. Industrial & Engineering Chemistry Research 2006, 45, (25), 8454-8474.

76.- Stichlmair, J. G.; Fair, J. R., Distillation: Principles and Practice. Wiley-VCH: New York., 1998.

77.-  Turton, R.; Bailei, R. C.; Whiting, W. B.; Shaeiwitz, J. A., Analysis Synthesis and Design of Chemical Processes. McGraw-Hill.: New York, 1998.

78.-  Douglas, J. M., Conceptual Design of Chemical Processes. McGraw-Hill.: New York., 1988.

79.-  Poling, B. E.; Praustnitz, J. M.; O'Connell, J. P., The Properties of Gases and Liquids. 5th Edition. McGraw-Hill: New York., 2000.

Volver Inicio


Secuencias de Columnas (anterior)                                                    Termodinámicamente equivalentes (siguiente)