Intercambiadores De Calor

Diseño Preliminar y Estimación de Costos: Proceso de Producción de Acetona

Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8

Temperatura (°C) 22 90 61 61 90 83 83 109

Presión (bar) 1,63 1,4 1,5 1,5 1,4 1,2 1,2 1,4

Flujo másico (ton/h) 2,79 0,92 4,22 4,22 0,92 8,23 0,27 0,65

Flujo molar (kmol/h) 74,02 41,73 72,51 32,29 41,73 177,18 5,88 35,85

Flujo molar del componente (kmol/h)

Hidrogeno 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Acetona 32,43 0,16 72,45 32,27 0,16 4,82 0,16 0,00

Alcohol Isopropilico 3,84 3,82 0,05 0,02 3,82 115,0 3,82 0,00

Agua 37,75 37,75 0,01 0,00 37,75 57,26 1,90 38,85

Se modificaron las corrientes 3 de tal manera que hubiese presencia de agua en el tope. Todo esto con el propósito de simplificar los cálculos.

Servicio cw cw cw lps lps

Equipo E-1006 E-1008 E-1005 E-1007 E-1010

Flujo (ton/h) 74 176 1,68 3,55 4,16

COSTO DE LA COLUMNA DE DESTILACIÓN T-1005

Se asume una mezcla de componentes ideal. Por lo que obedecen a la ley de Raoult.

Cálculo del número de etapas de equilibrio.

El número mínimo de etapas de equilibrio se calculó mediante la ecuación de Fenske :

N_min=(ln (x/(1-x))_tope/(x/(1-x))_fondo )/(ln α ̅ ) (1)

Siendo la volatilidad relativa promedio, α ̅, igual a:

α ̅=√(α_tope α_fondo )(2)

Y a su vez se puede definir las volatilidades relativas en el fondo y tope como la relación entre las presiones de vapor de los componentes liviano (acetona) y pesado (agua) claves respectivamente.

α=(P_i^°)/(P_j^° ) (3)

Las presiones de vapor de cada componente se calculan a partir de la ecuación de Antoine:

lnP_i^°=A_i-B_i/(T+C_i )

Donde Pi° está en mmHg y T en K. los valores de las constantes de Antoine para cada uno de los componentes se encuentran consignados en la tabla &&

COMPONENTE Ai Bi Ci

Acetona 16,6513 2940,46 -35,92

Alcohol Isopropilico 18,6929 3440,80 -53.54

Agua 18,3036 3816,44 -46,13

La presión de vapor de la acetona en el tope será:

lnP_i^°=16,6513-2940,46/(334,15 K-35,92)=6,7915

P_i^°=890,3319 mm Hg

890,3319 mm Hg*(1 atm)/(760 mm Hg)*(1 bar)/(0,987 atm)=1,1869 bar

Y en el fondo:

lnP_i^°=16,6513-2940,46/(382,15 K-35,92)=8,1585

P_i^°=3492,9648 mm Hg

3492,9648 mm Hg*(1 atm)/(760 mm Hg)*(1 bar)/(0,987 atm)=4,6565 bar

En el caso del agua, presión de vapor en el tope será:

lnP_i^°=18,3036-3816,44/(334,15 K-53,54)=4,7030

P_i^°=110,28 mm Hg

110,28 mm Hg*(1 atm)/(760 mm Hg)*(1 bar)/(0,987 atm)=0,1470 bar

Y en el fondo:

lnP_i^°=18,3036-3816,44/(382,15 K-53,54)=6,6897

P_i^°=804,0899 mm Hg

804,0899 mm Hg*(1 atm)/(760 mm Hg)*(1 bar)/(0,987 atm)=1,071 bar

De la misma manera se calculó la presión parcial del alcohol isopropilico. Estos valores se encuentran tabulados en la tabla ###.

COMPONENTE Pi° (bar) @ 335,15 K Pi° (bar) @ 382,15 K

Acetona 1,1869 4,6565

Alcohol Isopropilico 0,8276 4,9624

Agua 0,1470 1,071

Por lo que las volatilidades relativas en el fondo y en el tope, que se calculan con la ecuación (3), son:

α_tope=1,1869/0,1470=8,074

α_fondo=4,6565/1,071=4,3478

Reemplazando en la ecuación (2):

α ̅=√((8,074)(4,3478))=5,9248

Ahora bien, las composiciones de fondo y tope para la acetona y el agua son:

x_(D,Acetona)=104,72/(104,72+0,01)=0,9999

x_(B,Acetona)=0,16/(37,75+0,16)=0,004

Reemplazando en la ecuación (1):

N_min=(ln (0,9999/0,0001)_tope/(0,004/0,996)_fondo )/(ln 5,9248)=14,72

N_min=15

EL número óptimo de platos teóricos óptimo económicamente es cercano al doble del valor mínimo :

N_T=30

Asumiendo la eficiencia más baja posible (60%) , el número de etapas actuales será:

N_A=30/0,60=50

Considerando un factor de seguridad del 10% del número de etapas calculadas :

N_A=30*(1,1)=55

Cálculo del Diámetro de la columna.

El diámetro de la columna se calcula mediante el método de velocidad de arrastre del vapor. Para lo cual se hace necesario calcular en primera instancia el peso molecular promedio del vapor del tope de la columna. Por lo que se parte de los valores de presión parcial de cada uno de los componentes, consignados en la tabla ##, para el cálculo de las constantes de Raoult:

K=(P_i^°)/P_T (4)

Siendo la presión en el tope de la columna 1,20 bar.

COMPONENTE K Z(Fi/FT)

Acetona 0,9890 0,44

Alcohol Isopropilico 0,6896 0,05

Agua 0,1225 0,51

Los componentes predominantes de la fase vapor son la acetona y el alcohol isopropilico. A partir de esta información se armó la siguiente tabla:

COMPONENTE fi fj Ki Kj li vi xi yi

Acetona 32,43 0,9890 34,1287 1,6987 0,47 0,20

Alcohol Isopropilico 3,84 0,6896 5,7956 1,9556 0,07 0,24

Agua 37,75 0,1225 33,3069 4,4430 0,46 0,56

Siendo l_i:

l_i=(f_i ∑▒f_j )/(K_i ∑▒f_i )

Por lo que en el caso de la acetona:

l_acetona=((32,43)(37,75))/((0,9890)(36,27))=34,1287 kmol/h

Alcohol isopropilico:

l_AI=((3,84)(37,75))/((0,6896)(36,27))=5,7956 kmol/h

Y v_j:

v_j=(K_j f_j ∑▒f_i )/(∑▒f_j )

Por lo que para el agua será:

v_j=((0,1225)(37,75)(36,27))/((37,75))=4,4430 kmol/h

Y xi, yi:

x_i=l_i/(∑▒l_i )

v_i=v_i/(∑▒v_i )

El peso molecular del vapor ser:

M=(0,20)(58 Kg/Kmol)+(0,24)(60,1 Kg/Kmol)+(0,56)(18 Kg/Kmol)

PM=33,7 Kg/Kmol

La densidad del vapor en el tope se podrá definir a partir de la ecuación de gases ideales:

ρ_v=PM/RT=(1,2 bar*(1 atm)/(0,987 bar))(33,7 g/mol)/((334,15 K)(0,082 atm*l/mol*K))

ρ_v=1,4953 g/l

ρ_v=1,4953 Kg/m^3

La eficiencia umbral de las etapas de equilibrio se encuentra definido de la siguiente manera :

F_s=uρ^0,5

Siendo u la velocidad de arrastre de vapor. Los valores de Fs oscilan entre 1,2 y 1,5 m/s(Kg/m3)0,5. Por razones de diseño se tomó el valor más alto para Fs y se despejó u:

F_s/ρ^0,5 =u

u=(1,5 m/s [Kg/m^3 ]^0,5)/(1,4953 Kg/m^3 )^0,5

u=1,22 m/s

Aplicando la ecuación de continuidad para el vapor:

F_v=uρ_v A

(8440 Kg/h*(1 h)/(3600 s))=(1,22 m/s)(1,4953 Kg/m^3 )A

A=1,28 m^2

Entonces el diámetro:

(πD^2)/4=1,28 m^2

D=1,27 m

Cálculo de la altura de la torre.

Por razones de

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