Clase 3 Tema 2 Fraccionamiento

8/19/2019 Clase 3 Tema 2 Fraccionamiento

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Procesos de Extracción de

Líquidos

Programa: Ingeniería de GasProf: Ing. Betsy Alvarado Msc.

E-mail: [email protected]

Julio de 2015

Universidad del Zulia

Postgrado de Ingeniería


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Procesos de Extracción de Líquidos – Tema 2 Procesos de Plantas de Gas

Fraccionamiento

Proceso de transformación

Sistemas de

Separación

FraccionamientoRecuperación delíquidos

C1 y C2

C2

C3C4,S

GLP

Luego de extraer los líquidos enfriando el gas se separan o se

fraccionan para obtener el producto deseado

Se separan los

componentes de la

mezcla


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Definición

Es un sistema del 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

M á s V o l á t i l

Mayortemperatura


Fraccionamiento


4/63

El fraccionamiento de los componentes de la mezcla se lleva acabo en una

columna o torre de fraccionamiento

Mezcla

Componentes mas

volátiles

Componentes mas

Pesados

La volatilidad relativa de

dos componentes,

determina su dificultad

en la separación por

fraccionamiento


Fraccionamiento


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Funcionamiento

Mezcla

Componentes mas

volátiles

Componentes mas

Pesados

Se proporcionacalor en el fondo

Se proporcionafrío en el tope

Se crea un gradiente

de temperatura entre

el tope y el fondo de

la columnaVapor sube

Liquido baja


Fraccionamiento

Se controlan los compuestos de tope y fondo dependiendo de las

diferencias entre los puntos de ebullición


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Producto de

fondo

Fondo

Vapor Medio de

calentamiento

Aceite

Vapor

Rehervidor

Calor de Fondo Se utiliza un intercambiador de calor paraobtener una corriente caliente


Fraccionamiento


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Calor de Tope

Tope

Acumulador

Corriente fría

Reflujo

Producto de tope (Liquido)

Medio de

enfriamiento

Condensador total

Agua

AireRefrigerante

El reflujo y el producto

de tope tiene la misma

composición

Bomba

Se utiliza un intercambiador de calor paraobtener una corriente fría


Fraccionamiento


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Tope

Acumulador

Reflujo

Producto de tope

(Vapor)

Medio deenfriamiento

Condensador parcial

El producto de tope en

fase vapor esta en

equilibrio con el reflujo

Calor de Tope Se utiliza un intercambiador de calor paraobtener una corriente fría


Fraccionamiento


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Comportamiento de una Torre de Fraccionamiento

La columna está

dividida en dos

secciones a

ambos lados del

plato de

alimentación


Fraccionamiento


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Etapa de Equilibrio


Fraccionamiento

Serie de Etapas de Equilibrio

Teórico

Líquido en Punto de Burbuja

Vapor en Punto de Rocío

Misma P y T


11/63

Torres de platos

o bandejas

Torre empacadaEmpaque aleatorio

Empaque estructurado

Platos con perforaciones

Platos de burbujeo

Platos de válvulas


Fraccionamiento

Tipos de Torres


12/63

Tipos de Torres

Torres de platos

Bandejas o

platos donde se

ponen en

contacto el

vapor y elliquido


Fraccionamiento


13/63

Platos de burbujeo

Platos de válvulas

Torres de platos o bandejas

- Más eficientes cuando operan a la capacidad de diseño

- Más económico

- Susceptible al cambio de los flujos de operación (turndown)

Platos con perforaciones

- Más costosos

- Mejor opción que los perforados cuando hay

cambios de los flujos de operación (turndown)

- Se utilizan cuando puede haber bajo flujo de líquido (previene el

“weeping” en la torre)

-Es el mejor para sistemas con grandes cambio de los flujos de

operación (turndown)


Fraccionamiento


14/63

Torre empacada Empaque aleatorio

La columna esta rellena

de piezas que sirven de

superficie para el

intercambio entre el

vapor y el liquido

Anillos Lessing Anillos Rasching

Anillos Pall Anillos splined

Anillos Tipo

silla de

montar


Fraccionamiento


15/63

Torre empacada

La columna esta rellena

de piezas corrugadas

estructuradas


Fraccionamiento


16/63

Internos de una torre empacada

Distribuidores de líquido

Soportes


Fraccionamiento


17/63

Factores que afectan la selección del tipo de torre

Diámetro requerido

Altura de la torre

Caída de presión a través de la torre

Flujo de líquido

Contaminantes del fluido

Producción de espuma


Fraccionamiento


18/63

Diámetro requerido

Altura de la torre


Flujo de líquido


Sólidos

Torres de platos o bandejas

Diámetro más grande

Torres más altas

Cada plato equivale a una

restricción en flujo, lo que origina

una velocidad alta y por lo tanto,

una caída de presión alta.

Generalmente es más económico

manejar flujos grandes de líquido con

torres de platos.

Los platos pueden ser manufacturados con

materiales no metálicos, pero son más costosos

Mejor manejo que los empacados, por producir

problemas en el distribuidor de líquido


Fraccionamiento


19/63

Torre empacada

Cuando el diámetro de la torre es menor de 3 pie

resulta difícil accesar el interior de la torre para la

instalación y mantenimiento de los platos. Diámetro requerido

Altura de la torre


Flujo de líquido


Producción de espumaEn platos hay mayor tendencia a la formación

de espuma que en empaques debido a que las

velocidades del líquido

La caída de presión del

empaque es mucho menor

que la de los platos.

La variedad de materiales utilizados en la

elaboración de empaques es mucho mayor que

usados para la construcción de platos.

Debe haber suficiente líquido para que no se

produzcan problemas de distribución

Mucha altura requerida puede producir

problemas en el empaque (deformación) y en

la distribución de líquido.


Fraccionamiento


20/63

Procedimiento de diseño

Paso 1. Balance de masa alrededor de la torre

V

D

L

B

Datos requeridos:

Zi

F

- Alimentación: Flujo y composición.

Proviene del sistema derecuperación de líquidos

-Especificaciones de los productos

deseados:

Se utilizan para distribuir los

componentes entre el tope y el fondo.Depende de las características

requeridas en cada corriente de salida.


Fraccionamiento


21/63

Procedimiento de diseño

Establecen las distribuciones de los componentes

V

D

L

B

Los dos componentes que sedesean separar se llaman

claves o llaves

El más volátil llave liviano

El menos volátil llave pesado

C1

C6

C2

C3

C4,S

C5,S

C3

iC4

D e p r o p a n i z a d o r a

Para los cálculos se asume que en el

tope no hay otro comp. mas pesado

que el llave pesado y viceversa

F


Especificaciones de los Productos deseados


Fraccionamiento


22/63


Especificaciones de los Productos deseados

Para diseñar la torre de fraccionamiento se necesitan dos

especificaciones:

Especificación del porcentaje de recuperación de dos componentes

Se refiere a la cantidad que se quiere recuperar de un componente alimentado a la torre

Especificación de la composición de dos componente

En un fraccionador se cumple que:D

F=

XD

XBXF

XB

-

-

Especificación de la presión vapor

Se especifica la presión de vapor de producto


Fraccionamiento

Especificación del % de recuperación y composición de un componente


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Paso 2. Condiciones de operación de la torre

V

D

R

L

B

F

Presiónoperación

Temperatura del

tope

Medio de enfriamiento

utilizado en el

condensador

Presión de operación


Fraccionamiento


24/63

El medio de enfriamiento del condensador define la temperatura en el

tope de la torre

Fluidos más utilizados:

Agua ( 90 °F 110 °F)

Aire

Refrigerante utilizando un sistema de

refrigeración mecánica (temperaturas en el

tope menores de 95 °F)

V

D

R

LF

( 100 °F 130 °F)

Temp. Tope = Temp. Enfriamiento + ΔT (establecida por el diseñador)

Paso 2. Condiciones de operación de la torrePresión de operación

ΔT≈ 10 °F


Fraccionamiento


25/63


Fraccionamiento

V

D

R

L

B

FP

T

Líq. Vapor

Mezcla

Curva de burbujeo

Ttope

Pburbuja

Producto tope D

es liquido

P

T

Líq. Vapor

Mezcla

Curva de

rocío

Ttope

P rocio

Producto tope D

es vapor



D

Con la temperatura de tope se estima la

Presión en el acumulador


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Fraccionamiento

P

T

Líq.Vapor

Curva de burbujeo

Ttope

Pacumulador

La presión de la torre será igual a la presión del acumulador mas la caída de

presión a través del condensador y la línea de vapores de tope (5 y 15 psi)

V

D

R

LF

A medida que P , la T de burbuja

disminuyendo los costos en el condensador

Pérdidas de presión

Acumulador



Poperación


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Fraccionamiento



Medio de enfriamiento

Agua, Aire

Refrigerante, Sistema de Refrigeración

No tiene reflujo

Se prefiere aumentar presión que

sustituir el medio de enfriamiento


28/63


Fraccionamiento

V

D

R

L

B

F

Temperatura de fondo

P

T

Líq. Vapor

Mezcla

Curva de burbujeo

Tburbuja

Poperación dela torre

El Producto de fondo B esliquido saturado

Paso 2. Condiciones de operación de la torreSe asume P operación constante

para estimar la temperatura del fondo


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Fraccionamiento

Número de etapas requeridas para el contacto vapor

líquido.

L V

- Platos teóricos (Torre de platos)

- HETP (altura equivalente a un plato teórico)

(torre empacada)

Métodos de calculo

- Fenske y reflujo mínimo de Underwood (Método corto)

- Mc Cabe Thiele, para mezcla binaria (estimado)

A l t u r a d e l a

t o r r e

Paso 3. Número de etapas teóricas y reflujo

Tipo de

torre


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Fraccionamiento

Reflujo

V

D

R

LF

Liquido saturado que se retorna a la torre, el cual esta en equilibrio

con el vapor del tope de la columna de fraccionamiento

La cantidad de reflujo afecta la calidad del

producto

A medida que R aumenta, se incrementa el

grado de separación y la carga calórica de la

torre, lo que puede afectar la eficiencia y los

costos de operación

El reflujo afecta directamente al rehervidor incrementando la cantidad de

energía que la torre necesita



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Fraccionamiento

El numero de etapas o platos que la torre requiere esta relacionado con

el Reflujo

Reflujo

V

D

Lo

LF

El reflujo normalmente se expresa

como una relación

Relación de reflujo (R)

oLR D

Liquido que se regresa ala torre

Producto de tope



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Fraccionamiento

Mínimo

reflujo

Relación de reflujo

Mínimo No

de etapasReflujo total

∞ e t a p a s

N u m e r o d e e t

a p a s

A un mínimo reflujo se obtiene N°

infinito de etapas y para un

reflujo total se requiere un

mínimo de etapas

Estos son limites extremos para

el diseño de la torre


Figura 19.6 del GPSA año 2004


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Fraccionamiento

El diseño de una columna de fraccionamiento es un problema de

inversión inicial versus costo de energía

V

D

Lo

L

B

F

El reflujo afecta

directamente la cantidad

de energía que la torre

necesita

La cantidad de etapas o

platos incremente el

costo de la torre



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Fraccionamiento

Dos importantes consideraciones en el dimensionamiento de la torre

son:

Grado de separación

Pureza del

producto

Mayor Tamaño

Mayor DiámetroMas platos y reflujo

Mayor costo

.D BF B DLI L Ll P

X X S X X

Factor de separación

V

R

L

B

F

Ll L Llave liviano

Ll P Llave Pesado



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Fraccionamiento

Volatilidad de los componentes

Se expresa como volatilidad relativa.

Relación de las K de equilibrio de doscomponentes a una P y T.

llave liviano

llave pesado

Ll L

Ll P

K

K

Mas fácil la separación

V

R

L

B

F

Paso 3. Número de etapas teóricas y reflujoDos importantes consideraciones en el dimensionamiento de la torre

son:


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Fraccionamiento

N° mínimo de etapas Sm

log

log

F

m

prom

SS

El mínimo numero de etapas puede calcularse a través de la ecuación de

Fenske

Sm= Mínimo numero de etapas

.D BF

B DLI L Ll P

X X S X X

2

tope fondo

prom

Ll L

Ll P

K

K

Paso 3. Número de etapas teóricas y reflujoMétodo corto


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Fraccionamiento

Reflujo mínimo Rm

n

i i

i Fi X q1

1

El método de Underwood es el mas utilizado para el calculo del reflujo

mínimo

q = Moles de liquido saturado en la alimentación por mol de alimentación

XFi = fracción molar del componente i en la alimentación

= volatilidad relativa del componente i en la alimentación. Se utiliza el

componente mas pesado como referenciai

Inicialmente se calcula elFactor determinado por

ensayo y error

Paso 3. Número de etapas teóricas y reflujoMétodo corto


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Fraccionamiento

1

.1

nDi i

m

i i

X R

El reflujo mínimo se calcula a través de la ecuación

XDi = fracción molar del componente i en el producto de tope

= volatilidad relativa del componente i en la alimentación. Se utiliza el

componente mas pesado como referencia

i

Rm = Reflujo mínimo, (Lo/D)m

Luego el reflujo optimo esta entre 1,2 y 1,4 del reflujo mínimo


Método corto

θ= Parámetro de correlación


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Fraccionamiento

1

R

R 1

m

m

R

R


S= # de etapas teóricas


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Fraccionamiento

Método de Mc Cabe ThieleEste método es una representación gráfica de equilibrio y como el

reflujo se relaciona con los platos teóricos

V

Lo

D

B

F

Método

Separaciones

binarias

Sistemas

multicomponentes

Se utilizan el llave

liviano y el llave

pesado


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Fraccionamiento

El método utiliza el Diagrama x y que refleja las composiciones de la

fase de vapor (y) y la fase liquida (x) de uno de los componentes de la

mezcla binaria

Mezcla vapor liquido

Dos componentes A y B

X A + XB= 1

Liquido

Y A + YB= 1

Vapor

1 1 x

y x

Ll L

Ll P

K

K

La relación de equilibrio se puede calcular a

través de la ecuación

La volatilidad relativa se

calcula a P torre

2

tope fondo

prom

Método de Mc Cabe Thiele


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FraccionamientoMétodo de Mc Cabe Thiele

Diagrama x y

1 1 x

y x

Se construye el grafico con los valores de Y y se grafica una línea de 45º

X Y

0,1

0,2

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Equilibrio V L a P constante

Fracción molar del componente A en el liquido

Segundo componente: B

Se grafica el

componente

mas volátil


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44/63



Para aplicar el método se

analiza la sección de

enriquecimiento y la zona

de despojamiento por

separado


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V

Lo

Sección de enriquecimiento

Alimentación

D

Tope de la torre

n

n +1

n - 1

n

n +1

n - 1

Vn, Yn

Ln,Xn

Ln-1

N

1

XD = XL Balance en el tope

Vn+1,

Yn+1


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Fraccionamiento

Método de Mc Cabe ThieleSección de enriquecimiento Tope de la torre

n

n +1

n - 1

Vn, Yn

Ln,Xn

Vn+1,

Yn+1

Ln-1

línea operacional de tope

Yn+1. Vn+1 = D . XD + Ln. Xn

1

1 1

. .nn n D

n n

L DY X X

V V

El método asume que todos los

flujos molares son idénticos

L1 = L2 = L3….. = L

V1 = V2 = V3….. = V

1. .

n n D

L DY X X

V V

Dividimos la ecuación entre Vn+1


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Fraccionamiento

Sección de enriquecimiento Tope de la torre

Si el reflujo esL

R D

1. .

n n D

L DY X X

V V

V L D y

1.

1 1D

n n X R Y X

R R

Línea operacional superior

Si el destilado de tope es liquido XD

Si el destilado de tope es gaseoso YD


= D (R+1)

Y= mX+b


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Fraccionamiento

Método de Mc Cabe ThieleSección de despojamiento Fondo de la torre

B , XB

L

V

m +1

m - 1

m -

-

m

m +1

m - 1

Vm, Ym

Lm, Xm

Vm+1, Ym+1

Lm-1 --

--

Balance en el fondo

Lm+1-

- -Lm . Xm = B . XB + Vm+1. Ym+1


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Fraccionamiento


Sección de despojamiento Fondo de la torre

1. .

m m B

L BY X X

V V

Línea operacional de fondo

Balance en el fondo

L . Xm = B . XB + V. Ym+1- -


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Fraccionamiento

Método de Mc Cabe ThielePlato de Alimentación

V

Lo

D

B

F

El estado de la corriente de alimentación

esta definido por el factor q

q = fracción del líquido en lacorriente de alimentación

q = 1 Líquido saturado

q = 0 vapor saturado

0 < q < 1 bifásico

q > 1 Líquido subenfriado


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Fraccionamiento

Plato de Alimentación

1. .

1 1f f F

qY X X

q q

XF = fracción molar del componente en la alimentación

Xf = fracción molar del componente en el liquido que deja el plato

Yf = fracción molar del componente en el vapor que deja el plato

La ecuación es una línea recta de pendiente q/q-1 y el corte de XF

con la línea x=y



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Fraccionamiento

Método de Mc Cabe ThielePlato de Alimentación

A Vapor sobrecalendado

B Vapor saturado

C Bifásico

D Líquido satudado

E Líquido subenfriado

Fracción molar del componente A en el liquido

Segundo componente: B

F r

a c c i ó n m o l a r d e l c o m p o n e n t e A e n e l v a p o r

XF


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Paso 4. Balance de Energía


Fraccionamiento

V

Lo

D

B

F

Balance de Energía Alrededor de la Torre

F . HF + QR = D . HD + B . HB + Qc

QR

QC Conociendo:

TF, PF y XF se calcula HF

TD, Ptope y XD se calcula HD

TB, Pfondo y XB se calcula HB

Para calcular Qc sedebe definir el condensador


54/63



Fraccionamiento

Condensador TotalV

Lo

1

HV

QC

HC

D

LHL

P de burbuja

Qc = V . (HL - HV)

Donde:

V = L = Lo+D

Conociendo:

D y R=Lo/D se calcula Lo,

luego Lo+D =V.

Con T de enfriamiento se define Ttope y se calcula Pb

Con Pb T y XD se calcula HL

V @ Poeración es Vapor Saturado, Trocío , HV


55/63

V

Lo

1

HVQCHC

Dmezcla

HM

P de burbuja



Fraccionamiento

Condensador Parcial

Qc = V . (HM - HV)

Donde:

HM = Lo . HLo + D . HD


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Dimensiones de la torre Altura en torres de platos

H

pieshSr H 2.1

Sr= Número de etapas reales

h= espaciamiento

S= Número de etapas teóricas

eficiencia

S Sr

Para estimar la eficiencia

puede utilizarse la fig 19-18 del

GPSA


Fraccionamiento


57/63

Dimensiones de la torre

Altura en torres de platos


Fraccionamiento


58/63

Diámetro en torres de platosSe calcula dependiendo de la velocidad del vapor límite

Referencia: Campbell, J.

Constante que depende del

espaciamiento de los platos

Espaciamiento

w

W A

g Con el área secalcula el diámetro


Fraccionamiento


59/63

Diámetro en torres de platosConstante Ks

Referencia: Campbell, J.

Espaciamiento

-Más comunes 18” y 24”

- Para platos tipo válvula se utiliza entre 30” – 36”


Fraccionamiento


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Diámetro en torres empacadas

A = Mg / Gp , en ft2

La correlación depende de

la caída de presión

necesaria en la torre

∆P torre asumida= 0,5

pulgadas H2O es común

l

g

p

p

G

L

.


Fraccionamiento

FP= Factor de empaque

Gp= Vapor cargando la torre, lb/ft2*sg

μl= viscosidad del líquido, cp

ρ= densidad

Lp= Líquido cargando la torre, lb/ft2*sg

.

..17,32

.

1,0

1,02

g l g

l

wl pG Fp

Referencia: Campbell, J. y GPSA


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Diámetro en torres empacadas

Referencia: Campbell, J. y GPSA

Factor Fp


Fraccionamiento


62/63

Altura en torres empacadas

GPSA

N HETP H .

N= Número de etapas

teóricas

HETP= Altura

equivalente a un plato

teórico


Fraccionamiento


63/63

Secuencia de Fraccionamiento

Dependiendo de la especificación del producto deseado pueden

requerirse mas de una torre de fraccionamiento

Mezcla

C1 C2

C3 C4 +

C3

+ Gasolina

l

C4,S i- C4

n- C4


Fraccionamiento

Clase 3 Tema 2 Fraccionamiento

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