Análisis De Factibilidad De Columnas De Destilación Con Salida Lateral

Resumen

En este trabajo se presentan tres casos de destilación ternaria donde columnas de destilación con salida lateral son alternativas factibles frente a secuencias de columnas de destilación simple. Las comparaciones son realizadas en base a resultados de simulaciones rigurosas. En dos casos, destilación de mezclas ternarias ideales y de mezclas no ideales, la columna con salida lateral se consigue aplicando heurísticos disponibles en la literatura. En el caso de destilación extractiva se siguió un procedimiento que permitió obtener una columna con salida lateral factible. El procedimiento se resume en un heurístico.

Palabras claves: destilación ternaria, columna con salida lateral, heurísticos, análisis de factibilidad

Abstract

This work presents three cases of ternary distillation where side-stream distillation columns are feasible alternatives to sequences of simple distillation columns. Alternatives are compared using results from computer simulation. In two cases, distillation of ideal and non ideal ternary mixtures, side-stream column follows literature heuristic recommendation. In the extractive distillation case, the procedure followed in this work allowed to define a feasible side-stream column. The procedure is summarized in an heuristic.

Keywords: ternary distillation, side-stream distillation column, heuristics, feasibility analysis

INTRODUCCION

Las columnas con salida lateral pueden visualizarse como una alternativa a las secuencias que utilizan columnas de dos productos. Han sido estudiadas en la literatura tanto desde el punto de vista de su diseño como de generar criterios para su utilización. Otra alternativa a secuencias de columnas simples (dos productos) son secuencias con integración térmica. Agrawal (2003) discute en profundidad las publicaciones relacionadas con secuencias de columnas simples y complejas (más de dos productos) con algún grado de integración térmica. Para el cálculo de reflujo mínimo de columnas con salidas laterales que separan mezclas ideales se pueden encontrar varias técnicas, muchas de ellas modificaciones del método de Underwood. En años recientes se desarrollaron dos métodos para columnas con salida lateral que separan todo tipo de mezclas: el método BVM (boundary-value method) (Doherty y Malone, 2001) y el método RBM (rectification body method) (von Watzdorf et al., 1999). Métodos de diseño para columnas de destilación con salida lateral para separar mezclas ideales (caracterizadas por una volatilidad constante) fueron desarrollados para columnas con una alimentación (Glinos y Malone, 1985) y dos alimentaciones (Nikolaides y Malone, 1987). Estos métodos de diseño se desarrollaron para separaciones donde los productos principales están libres de al menos uno de los componentes de la alimentación (sharp splits). Criterios para el uso de columnas de destilación con salidas laterales en secuencias de sepaación de mezclas ideales fueron desarrollados por Tedder y Rudd (1978). Esos autores analizaron varias configuraciones de columnas que incluían columnas con salidas laterales, y desarrollaron criterios basados en un índice (ESI – ease of separation index). Entre los criterios de Tedder y Rudd se pueden mencionar: a extraer como vapor la salida lateral si la salida está debajo de la alimentación y a extraer como líquido la salida lateral si la salida está arriba de la alimentación. Tedder y Rudd (1978) analizaron, también, zonas de óptimo para varios diseños ya que los diseños son dependientes de la composición de la alimentación y de las especificaciones del problema. Como el requerimiento de vapor de la columna disminuye al disminuir las especificaciones de los productos, la zona de óptimo para las configuraciones con salida lateral aumenta, lográndose para algunas alimentaciones un considerable ahorro cuando se utilizan columnas con salidas laterales. También Glinos y Malone (1988) han reexaminado las zonas de óptimo de varias configuraciones usando los métodos de diseño ya señalados (Glinos y Malone, 1985; Nikolaides y Malone, 1985) y utilizando como criterio para evaluar las configuraciones el caudal mínimo de vapor. Por otra parte Kim y Wankat (2004) han estudiado distintas secuencias de columnas para separar una mezcla cuaternaria ideal. Sólo recientemente Rooks et al. (1996) han discutido una metodología de diseño de columnas con salida lateral para mezclas altamente no ideales permitiendo inclusive la existencia de azeótropos. Más recientemente, Brüggemann y Marquardt (2004) han discutido la utilización de un método de diseño para la separación de mezclas multicomponentes ideales y no ideales y su aplicación en la evaluación de secuencias de columnas simples y complejas.

Fig. 1. Alternativas para separar una mezcla de pentano + hexano + heptano. a) secuencia de separación directa, b) secuencia de separación indirecta, c) columna con salida lateral. En paréntesis los compuestos principales: C5 pentano, C6 hexano, C7 heptano.

En este trabajo se presentan resultados del análisis de factibilidad de las columnas con salidas laterales como alternativa a las secuencias de columnas simples. Tres casos son discutidos: separación de una mezcla ideal, separación de una mezcla no ideal y destilación extractiva.

DESCRIPCION DE CASOS

Para mostrar cuándo las columnas de destilación son factibles frente a otras alternativas se presentan tres casos de separación de mezclas ternarias. El primero trata un caso de separación de soluciones ideales como la mezcla de pentano, hexano, heptano. El segundo discute el uso de la columna de salida lateral en la separación de una solución no ideal. El tercer caso discute la factibilidad de reemplazar el esquema de destilación extractiva de agua-etanol con etilenglicol por una columna de salida lateral.

Caso ideal

Para el caso de separación de soluciones ideales los heurísticos presentados por Tedder y Rudd (1978) y más tarde revisados por Glinos y Malone (1988) constituyen una guía segura para elegir una buena alternativa. En este trabajo se ha estudiado una mezcla de pentano (5%, en porcentaje molar), hexano (65%), heptano (30%). Teniendo

presente los heurísticos mencionados una columna con salida lateral de líquido arriba de la alimentación es una columna factible para la separación. La Figura 1 esquematiza las secuencias convencionales de separación directa e indirecta y la columna con salida lateral.

Caso no ideal

En la literatura (Rooks et al., 1996) se menciona que una situación que favorecería la utilización de una columna con salida lateral es que la misma pueda ser extraída con requerimientos de pureza flexible. En este trabajo se comparan una secuencia de dos columnas con una columna con salida lateral para separar la mezcla no ideal de metanol (33%, en fracción molar porciento), etanol (33%), agua (34%). La Figura 2 esquematiza las dos alternativas comparadas.

Caso destilación extractiva

La destilación extractiva es un método para separar azeótropos de bajo punto de ebullición con el empleo de un “arrastrador” que es el componente más pesado de la mezcla y no forma azeótropos ni otra fase líquida con los otros componentes. Un ejemplo típico de destilación extractiva es la separación de agua-etanol con la ayuda de etilenglicol. Las mezclas ternarias descriptas tienen una curva de residuo característica donde el azeótropo es el nodo inestable, el arrastrador el nodo estable y los otros componentes son nodos inestables o monturas. Por ello el esquema para separar los componentes que forman el azeótropo consiste de dos columnas. En la primera, con dos alimentaciones, se separa por cabeza uno de los componentes del azeótropo y por fondo una mezcla de arrastrador con el otro componente. En la segunda columna se separan el arrastrador, que se recicla a la primera columna, y el otro componente. En este estudio se compara la secuencia de dos columnas con una única columna con una salida lateral. La Figura 3 esquematiza las dos alternativas comparadas.

Fig. 2: Alternativas para separar una mezcla de metanol (M) + etanol (E) + agua (A). a) secuencia de dos columnas, b) columna con salida lateral. En paréntesis los componentes principales.

Fig. 3: Alternativas para la destilación extractiva de etanol (E) – agua (A) con etilenglicol (EG). a) secuencia tradicional, b) columna con salida lateral. En paréntesis los principales componentes.

DESCRIPCION DE METODOS Y MODELOS

Las alternativas de separación en los tres casos fueron simuladas con HYSYS. Para el caso no ideal y el caso de destilación extractiva también se utilizó DISTIL. El equilibrio líquido-vapor se calculó con la ecuación de estado de Peng-Robinson para el caso ideal, y con la combinación gas Ideal-UNIQUAC para los otros dos casos. Se utilizaron los párametros de la base de datos de HYSYS/ DISTIL previa verificación de que la representación del equilibrio con los modelos se ajustaba a los datos experimentales.

Para el diseño de las columnas de destilación de los casos ideales y no ideales se fijaron flujos de los destilados y las corrientes laterales. Luego con la ayuda de los métodos short-cut de HYSYS y de DISTIL se calculó el reflujo mínimo y el número de platos. El reflujo para las simulaciones rigurosas se estableció en 1.3 del reflujo mínimo.

Para el caso de la destilación extractiva se siguió un procedimiento para obtener condiciones en donde la columna con salida lateral

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