Descripcion Planta

7/22/2019 Descripcion Planta

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DISEO CONCEPTUAL

PLANTA DE PRODUCCION DE DIETL TER A PARTIR DEETANOL

CONCEPTUAL DESIGNPRODUCTION PLANT DIETHYL ETHER FROM ETHANOL

Grupo Ingeniera de Procesos 2012-02Ingeniera de procesos. Escuela de Procesos y Energa. Facultad de Minas.Universidad Nacional de Colombia. Medelln. Cra. 80 x Cl. 65. Barrio Robledo.

RESUMEN: En este artculo se presenta el estudio sobre el proceso de la obtencin de dietil ter a travs dela deshidratacin de etanol, se realiza la sntesis del proceso como un diseo preliminar, se disea ydimensiona cada equipo propuesto con su respectivo sistema de control, adems se considera la distribucinen planta y la simulacin del proceso en ASPEN ONE V.7.2.

PALABRAS CLAVE: Dietil ter, deshidratacin de etanol, diseo conceptual, estudio de mercado, sntesisde procesos, diagrama de flujo, balances, simulacin, instrumentacin y control

ABSTRACT:This article presents a study on the process of to obtain diethyl ether by dehydration of ethanol,the process synthesis and the preliminary design of the process plant, sizing of the mass, heat and momenttransfer apparatus with its control system, also consider the plant distribution and the process simulation inASPEN ONE v.7.2.

KEYWORDS: diethyl ether, dehydration of ethanol, conceptual design, market study, synthesis processes,flow diagram, balance, simulation, instrumentation and control.

1. INTRODUCCIN

El dietil ter es un lquido incoloro muy

dipolar debido al ngulo C-O-C, se encuentraque su punto de ebullicin es muy parecido alde los alcanos con el mismo peso molecular


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El dietil ter es un lquido incoloro muy de los alcanos con el mismo peso molecular

pero no ha logrado obtener la tecnologa paraproducir productos con cierto valor agregado

que beneficien al sector industrial y logrenhacer crecer la economa del pas. En cuantoa la industria qumica colombiana, aunque havenido mostrando grandes avances, an no essuficiente, no se logra cubrir por lo menos lademanda interna de productos y se debenimportar compuestos qumicos que sirven dematerias primas y lo cual genera unos costosms elevados en el producto final

Con este estudio se pretende realizar unacercamiento al diseo de procesos y plantasindustriales, proponiendo el diseo de losequipos y su sistema de control para uncorrecto funcionamiento y produccin dedietil ter, adems de mostrar que se debefortalecer la industria qumica, con proyectos

de plantas de produccin.3. OBJETIVOS

3.1OBJETIVO GENERALRealizar un diseo conceptual de una plantapara la produccin de dietil ter a partir deetanol, para cubrir la demanda de este

producto en el pas.

3.2OBJETIVOS ESPECIFICOS

usarlo como ayuda y verificacin deldiseo.

4. SINTESIS DE PROCESO

El proceso de produccin de dietil-ter (DEE)consiste en la reaccin de deshidratacin deletanol (Et), que produce agua (W) y dietil-ter. La reaccin es reversible y limitada porequilibrio:

Esta reaccin se debe realizar en presencia deun catalizador, pues la reaccin esta enparalelo junto con otra reaccin que produceetileno (El), que es un producto no deseado;por consiguiente la funcin del catalizador es

minimizar la Reaccin 2:

Descomposicin jerrquica de Douglas parala planta de produccin de dietil ter[34].

Se analizar mediante la descomposicinjerrquica de Douglas al proceso deproduccin de dietil ter con el fin dedeterminar las posibles operaciones unitariasque sern participes del proceso y llegar as a


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sustancias al reactor y luego realizar laseparacin pertinente.

Despus del reactor se genera una corrienteque posee cuatro componentes diferentes, porlo que se necesitan 3 pasos para separarlos,donde solo el dietil ter es el producto deinters.

Figura .Alternativas Nivel 2Figure .Alternative level 2

Nivel 3: La conversin en el reactor es alta(0,75), sin embargo si es posible recircularreactivos que permitan generar un ahorro demateria prima se tendr en cuenta laposibilidad de instalar una recirculacin parala mayor cantidad posible de reactivo deinters, es decir el etanol.

luego ser almacenada, aunque tambin sedebe analizar si es viable recircularla,

estudiando efectos en el catalizador, nuevosrendimientos de reaccin, etc.

Figura8.Alternativas Nivel 4-AFigure 8. Alternative level 4-A

Sub-nivel 4 B: Para las corrientes liquidas, sepueden usar diversos mtodos de separacin,

siempre y cuando sean viableseconmicamente y posean una alta eficiencia,se recomienda comparar entre lacristalizacin, la extraccin lquido- lquido yla destilacin como alternativas deseparacin.

Si una de las corrientes separadas es rica en el

reactivo usado para generar el dietil ter(Etanol), se puede considerar la posibilidadde recircularla la inicio del proceso, ademslas corrientes de agua contaminada con trazasd l d i d b


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Nivel 5: Por ltimo se deben evaluar laposibilidad de establecer redes calricas en

cascada, ya que se tienen diversos puntosdonde es necesario tanto calentar comoenfriar los flujos de reactivos y productos, sedebe asegurar que se disponga de agua para elservicio, ya sea mediante torres deenfriamiento entre otras, este anlisis de debeincluir tambin los equipos de intercambiocalrico de las torres de destilacin siendo elcaso que se necesiten para la separacin.

4.1 Descripcin del proceso propuesto.

Tras la descomposicin Jerrquica deDouglas para la planta, se debe proponercomo sera el proceso. En general se debetener una mezcla de alimento y reciclo, elreactor, tres etapas de separacin, de las

cuales una puede ser un flash, dada lavolatilidad del etileno, adems de los equiposde intercambio necesarios en la corrienteprincipal, como el necesario para vaporizar elalimento del reactor, y los equipos queaseguren la disponibilidad de las corrientes deservicio, torre de enfriamiento y caldera. Eldiagrama de bloques en la figura x. esbozacomo seria el proceso.

Alimento

Etanol 70%

A continuacin se describe con detalle comosera el proceso, siguiendo todas las

corrientes y el flujo de materiales, que pasapor cada equipo. El diagrama de flujo de laanexo x. ilustra el proceso descrito.

La materia prima es etanol al 70% (corriente1), se mezcla con un recirculado (corriente27), esta mezcla (corriente 2) es la que sealimentar al reactor. Para preparar el

material que entra al reactor se utiliza elintercambiador de calor E-01, que procesa lacorriente 2, pasndola a fase vapor (corriente3) para propiciar el buen funcionamiento delreactor cataltico R-1. A la salida del reactor(corriente 4), se encuentran presentes agua,etileno, dietil ter como productos de lareaccin y etanol que no reacciona

completamente. Esta corriente debe pasar aunidades de separacin que son:

- Separador flash V-01. Primera etapa deseparacin, recibe la corriente que se preparapreviamente en el intercambiador E-2(corriente 5). El flash se encarga de retirar los

compuestos ms voltiles, en este caso etileno(corriente 7), en la fase lquida salen losdems compuestos (corriente 6).


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Se requieren fluidos de servicio (vapor yagua) para calentar o enfriar las corrientes del

fluido principal. Se propone una torre deenfriamiento para la reutilizacin del agua deservicio, y una caldera C-1 para queproporcione las condiciones de vapor que sevan a necesitar en cada uno de losintercambiadores. La torre de enfriamientorecibe la corriente S-T para tratarla con aire.

Las corrientes de servicio que entra a cadaintercambiador de calor se han nombradocomo sigue:E-1: entra vapor S-1, sale S-18.E-2: entra vapor S-3, sale S-16.En la torre T-1 se tiene un condensador E-3 yun reboiler E-4.

E-3: entra agua S-4, sale S-15.E-4: entra vapor S-5, sale S-14.E-5: entra agua S-6, sale S-13En la torre T-2 se tiene un condensador E-6 yun reboiler E-7.E-6: entra agua S-7, sale S-12.E-7: entra vapor S-8, sale S-11

E-8: entra agua S-9, sale S-10.[34] J.Aguirre,Descomposicin

jerrquica de Douglas, in Ingeniera deP Q i i

Se propone un reactor empacado, ya que si seusa almina como catalizador se eliminan

muchas de las reacciones secundariasmencionadas. Por esta razn, las reaccionesms importantes y a tener en cuenta para eldiseo del reactor son:

El reactor se disea con base en un articulo

[1] en el cual se desea obtener una conversinde 0,76. En el mismo artculo se da un rangode temperatura de 400 a 600 K, que es latemperatura a la cual ocurre la reaccin.Respecto a la presin se elige que sea de 480KPa a la entrada para garantizar el estadogaseoso de los reactivos. Esta reaccin esendotrmica, por esto se considera una

chaqueta con fluido trmico caliente,contrario a lo descrito en el artculo base.

Se propone una ecuacin de la selectividad,la cual depende de la temperatura y lapresin, como se muestra a continuacin:

( ) (

)

P=[KPa] T=[K]

La ecuacin anterior se debe linealizar parahallar los valores de S0, A y n que sonconstantes Esta ecuacin se puede linealizar


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Tabla.Resultados de la linealizacin.Table. Linealization resultsN So A

-0,4047 0,3113 2333,9

De esta manera la ecuacin de la selectividades:

( ) (

)

La selectividad terica a las condiciones deoperacin y usando la frmula propuesta en elartculo, sera: S=33,08771235.

5.1.1 Descri pcin del r eactorCatalizador: Almina(Al2O3)

Figura .Catalizador empleadoFigure Catalyst employed

El catalizador es -Almina activada oadsorbente, el cual es usado como catalizadoren reacciones de deshidratacin de alcoholes[2]. Es un catalizador blanco, esfrico, sinolor, insoluble en agua y que tiene lassiguientes propiedades [3][4]:Tabla. Propiedades del catalizador(elaboracin propia)

contienen los alcoholes), lo que aumenta laacidez y favorece la isomerizacin de los

alquenos producidos (etileno en este caso y);por esto debe ser remplazado cada 21 mesesy regenerado con combustin para eliminarlos silicatos [2]. Las caractersticas delcatalizador se describen en la tabla 1.

5.1.2 A lgor itmo Diseo

Suposiciones:

Para el desarrollo del algoritmo que arroje losdatos necesarios para la construccin delreactor se supone lo siguiente:

Las reacciones son elementales y dependende la constante cintica de cada una, con susconcentraciones elevadas a sus respectivos

coeficientes estequiomtricos [5].Los calores especficos de reaccin no varancon la temperatura [6].No se desprecia el cambio de temperatura delfluido trmico.

El algoritmo desarrollado en matlab semuestra en el anexo , segn la conversinexigida se obtuvieron unos flujos a la salida

del reactor con los balances desarrollados eneste equipo.

5.1.3 Resul tados.


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Temperatura

fluido decalentamiento (K)

410 401,329

Flujos molares (kmol/hr)

Etanol88,296 24,51

Agua37,841 70,13

DEE0 32,10

Etileno0 0,67

La hoja de especificaciones en el anexomuestra las tuberas, materiales, volmenes y

dimensiones que se determinan. As mismolos flujos de reactivos y productos y lavariacin de la temperatura y la presinrespecto al volumen se muestran en el anexo.

El principio de las grficas muestra uncomportamiento de difcil explicacin, latemperatura y los reactivos decrecenrpidamente en muy poco tiempo, as mismoaumentan los productos con un saltorepentino; sin embargo el cambio en latemperatura es de apenas 2 grados, estoindica que no necesita gran transferencia de

depende de esto como se ha visto. El controlse muestra en el anexo.

referencias

[1] Energy Balances and Numerical MethodsDesign Project Manufacture of Diethyl Ether.

[2] N.P. Makgoba, T.M. Sakuneka, J.G.Koortzen, C. van Schalkwyk, J.M. Botha,C.P. Nicolaides Silication of g-aluminacatalyst during the dehydration of linearprimary alcohols. Heterogeneous CatalysisDepartment, Sasol Technology, Research andDevelopment, P.O. Box 1, Sasolburg, 1947,South Africa.

[3] Slica gel. Venta de almina activada.[online]. Disponible en:http://www.silicagel.com.mx/venta_de_alumi

na_activada.aspx

[4] Tipos de almina. [online] Disponible en:http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/alumina/default2.asp

[5] A.P. Kagyrmanova, V.A. Chumachenko,V.N. Korotkikh, V.N. Kashkin, A.S. NoskovCatalytic dehydration of bioethanol toethylene: Pilot-scale studies and processsimulation.

[6] Poling. B et al, The Properties of gases


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Etileno:Es la sustancia que no es deseable deproducir, pero que inherentemente se va a

producir. Por tanto el catalizador debeminimizar la conversin de esta reaccin.Agua: Producto de la deshidratacin deletanol, Reaccin 1.(numeral 4)

Como en la corriente de salida del reactor setienen 4 sustancias, heursticamente se debentener 3 separadores para purificar lassustancias en cuestin.

El primero debe ser un flash, pues esteaprovecha la gran volatilidad del etileno parasepararlo de la mezcla, dejando en la faselquida el dietil-ter, el agua y el etanol

5.2.1 Torr e Flash

5.2.1.1 Justi fi cacin

Un flash es una sola etapa de destilacin en laque la alimentacin se vaporiza parcialmentepara producir un vapor ms rico en elcomponente ms voltil. La alimentacinliquida que se calienta a presin en latubera, se somete a una operacin adiabticainstantnea. Para esta operacin se requiere

que alguno o varios componentes sean muyvoltiles o de presin de vapor altas acondiciones dadas en comparacin con elresto; Con el propsito de separar total o

presin. Los resultados del algoritmo semuestran en la tabla.

Tabla:Condiciones obtenidas para el flashTable: Results for flash separator

Condicion ValorPresin(KPa)

990

Temper(K)

313,15

Flujolquido(Kmol/s)

0,042308

XET XW XDEE X

EL

0 0 0 1Flujo devapor(Kmol/s)

0,000010

XET XW XDEE

XEL

0.1399

0.5789

0.2811

0

Luego con los flujos y propiedades obtenidasse sigue el algoritmo explicado en el anexo,para el clculo de la altura y el dimetro delflash. Los resultados fueron 2,85 m dedimetro y 3,85 m de altura.

5.2.1.3 ControlEl proceso de separacin en el equipo flashrequiere de dos lasos de controlprincipalmente, un sistema de control pararegular el nivel del tanque, con vlvula de

t l d t ti d l id


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5.2.2Tor re de desti lacin 1 T-1

5.2.2.1Justificacin de la torre dedesti lacin 1 en el proceso (T-01)

Se tienen 3 sustancias de las cuales el Dietilter, producto de inters, por tal motivo sedesea disponer de un mtodo de separacinque permita extraer la mayor cantidad delqumico, para ello se pueden usar diversosmtodos, pero se analizara la factibilidad de

aplicar la cristalizacin, la extraccin lquido-lquido, y la destilacin tal y como se sugiereen las reglas heursticas del texto gua [1]:

Cristalizacin: Es un mtodo que requiereque las temperaturas de solidificacin de loscompuestos sea lo suficientemente diferentescomo para retirar algunos de ellos en estadoslido. En este caso la temperatura desolidificacin del agua es bastante diferente ala de los dems componentes, sin embargo latemperatura de solidificacin del Dietil ter yla del etanol son demasiado parecidos portanto no es posible cristalizar uno de los dossin que se cristalice el otro, y ya que lo que sebusca separar es el Dietil ter, resulta unmtodo poco prctico e ineficiente para este

caso.

Extraccin lquido lquido: Es un mtodoque resulta muy til en las situaciones en las

Para el diseo de la torre de destilacin sehizo uso de los datos de los flujos de las

sustancias qumicas proporcionadoanteriormente en la descripcin del proceso,adems se hizo uso del Aspen plus, simuladorde procesos qumicos que trae integrados lasrutinas de diseo de uso ms comn; comoprimer medida se us el algoritmo mssencillo, WUG, el cual proporcion elnmero de platos que permitira alcanzar laseparacin deseada, obtenindose un total de

19 platos reales para la separacin, ademsproporcion el calor que se deba retirar y quese deba suministrar en el condensador y en elreboiler respectivamente.

Acto seguido se us otro algoritmo de diseodenominado mtodo DISTL, el cual refin losresultados asociados a la presin de las

corrientes de salida, los calores asociados alproceso y la calidad del alimento.

Con los datos obtenidos se utiliz comoltima medida un algoritmo de diseoriguroso, conocido como mtodo Mesh oRAD FRAC, el cual arrojo los datosdefinitivos sobre las corrientes de salida conlos cuales se procedi al diseo detallado de

la torre, para lo cual se usaron los pasossugeridos por el treybal, adems se usaron lassuposiciones all recomendadas para obtenerlos datos iniciales y as poder disear la torre.


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Flujo volumtrico 0,5 m^3/s

Generales

Temperatura 81,5 C

Gravedad 9,8 m/s^2

Material Acero inoxidable 304

Rugosidad 4,28E-05 m

Tabla #:Suposiciones adoptadas del Treybalcaptulo 6

Table #:Assumptions Treybal taken from

Chapter 6

Datos tomados de recomendaciones

empricas del treybal

Dimetro de orificio 0,005 m

Espacio entre

orificios 0,012 m

Porcentaje de

velocidad para

diseo

0,8

Espacio entre platos 0,6 m

A partir de los datos y las suposicionesmostradas anteriormente se lleg a:

Tabla #:Medidas halladas para la torre de

destilacin.Table #:Measures found for the distillation

tower.

resultados tras aplicar sus respectivosalgoritmos de diseo:

Tabla#:Datos rehervidorTable #:Data reboiler

RehervidorTemperatura

rehervidor

2695.5 kJ/s 372.852 K

Msico de vapor de agua= 11.4 Kg/sCoeficiente de transferencia de calor= 2,5W/K m2rea de transferencia = 16.2 m2

Tabla#:Datos condensadorTable #:Data condensate

Temperaturacondensador

Condensador

329.65 K -2.5 E 06 kJ/s

Flujo msico de agua de enfriamiento= 21.6Kg/sCoeficiente de transferencia de calor= 3,4

W/K m

2

rea de transferencia = 32.1 m2


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Los dimetros ptimos de las tuberas secalcularon por medio de un nomograma [2], yluego se busca estos en catlogos losdimetros cercanos comerciales, asobteniendo:

Tabla #:Dimetro tuberas torre T-1Table #:pipe diameter tower T-1

Tubera destilado 2 in sch 40sTubera reflujo 4 in sch 40s

Tubera entrada 3 in sch 40sTubera fondos 2 in sch 40s

Para la torre es necesario adems disponer dealgunos equipos de transmisin de potenciatales como bombas, una para la salida delproducto y otra para el reflujo. Se obtuvieron

los siguientes datos tras su diseo:

Para la bomba B14 encargada de la corrientede destilado y reflujo, se obtuvieron lossiguientes resultados:

Tabla #:Datos diseo bomba B14Table #:B14 pump design data

Flujo volumtrico 0,011 m /sCambio de presin 65,86 kPaRequerimiento del b b

918.38 Watt

Para este clculo se tuvo en cuenta lasperdidas por lnea, adems de dos vlvulasque dejan estas corrientes a las presionesadecuadas para la entrada a los equipossiguientes.

Para los clculos de la bomba B34 encargadadel transporte de la lnea de fondos hasta lasegunda torre de destilacin T-2, obteniendolos siguientes resultados:

Tabla #:Datos diseo bomba B34Table #:B34 pump design data

Flujo volumtrico 0,00088 m /sCambio de presin 40,53 kPaRequerimiento de

la bomba142,84 Watt

Cabezadesarrollada 5,1 m

Para esta bomba tambin se escogi Ampcopumps Company con las siguientescaractersticas [3]:

Tabla#:Caractersticas de la bomba escogidaTable #:Pump characteristics chosen

Tipo AC-seriesTamao 114 1.5x1.5

V l id d 1750


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[3] Datos tomados de: http://select.pump-flo.com, consultada el 21 de noviembre de2012, disponible online.

5.2.3 Torr e de desti lacin 2 T-2

La torre de destilacin T-02 es la ltima deuna serie de torres de separacin, en la cual sepretende separar el Etanol del Agua y el

Dietil Eter (DEE) que contina remanente enel proceso tras no reaccionar en el reactor R-01 de la planta, de manera que se puedereintegrar el Etanol (corriente 28) al procesode produccin de Dietil Eter.As, la torre T-02 tiene como objetivo evitarel desecho de la materia prima del proceso,reducir costos de operacin y hacer ms

eficiente el proceso.Para disear la torre y llevar el Etanol a un70% de destilado se realizaron los siguientespasos:

5.2.3.1Balance de materi a y energa

Los balances de energa se realizaron en

ASPEN y los resultados se citan en la figura .

5.2.3.2 Dimensionamiento de la torre de

destilacin

Como se cuenta con la presencia de trescomponentes (Agua, DEE, Etanol), la torre sedise multicomponente siguiendo lasespecificaciones del mtodo Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) [1], cuyametodologa se explica brevemente en elAnexo 2.1. El mtodo, luego de programado

y ejecutado como algoritmo en Matlab, nosarrojar entonces:

Ubicacin del plato de alimentacin.

Nmero de platos en la torre.

Relacin de reflujo.

Flujos de salida de la torre.

Requerimientos energticos de

rehervidor y condensador, entreotras caractersticas importantes.

Estos datos se reportan en la Tabla 1y laTabla 2 y sern los mismos queposteriormente con las recomendacionestcnicas y principios del Treybal nos sern deayuda para determinar presin de operacin,

dimetro y altura [2].

Tabla 1. Dimensionamiento de la torre, datosentregados por el mtodo FUG.


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Rehervidor(E-07)

401.83 65280,77 K J/h18.13 KW

Condensador (E-06) 394.0771648.29 KJ/h19.91 KW

Los valores de la Tabla 2 se llevaron atrminos de planchas y freezer con elpropsito de hacer una analoga con objetosque usamos comnmente para darnos unaidea de dichas cantidades. As, la planchaentrega 1000watts y un freezer requiere195watts, por lo que el rehervidor es unequivalente de 17 planchas operandosimultneamente, y el condensador equivale atener 102 freezer operando al mismo tiempo.

Tabla 3. Dimensionamiento de la torre T-02,datos calculados usando el Treybal comoderrotero.

Especificaciones ValoresPresin [Psi] 11.22Altura [m] 5.5Dimetro [m] 1.22Radio [m] 0.61

Al gunos detal les de ingeniera

Basados en la referencia [1] y [3] realizamos

Para la torre se seleccion el tipo de tapastoriesfricas ya que son las que mayoraceptacin tienen en la industria, debido a subajo costo y a que soportan altas presionesmanomtrica [3], el cuerpo de la torrecilndrico se tom de acero inoxidable, cuyaslminas.

5.2.3.3 Diseo de los in tercambiadores decalor

Diseo del rehervidor E-07

De los datos en la Tabla 2 y con base en eltipo de proceso que se tiene se eligi unintercambiador de calor tipo termofusinhorizontal directo y empleando elmtodo del NUT para calcular el nmero detubos y la longitud se obtuvo:

Tabla 4. Especificaciones del rehervidor (E-07)calculados con el mtodo de NUT.

Especificacin Valor

Dimetro [in] 1/2Nmero de tubos 15Longitud [m] 0.50Fl j d [k /h] 28 8


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Nmero de tubos 11Longitud [m] 1.23

Flujo de vapor [kg/h] 31.7Coeficiente de transferencia demasa [w/Km2]

2.05

rea de transferencia de masa[m2]

4.23

5.2.3.4 Seleccin de tuberas y bomba

Para el diseo de las tuberas de las corrientes13,22 y 28, se tuvo en cuenta los flujosmsico y volumtricos que iban por cada unade las corrientes los cuales eran muypequeos debido a que la corriente de entradaproviene de los fondos de la torre destilacin1, tambin la densidad, viscosidad yvelocidad, esto para conocer el Re de cadauna de las corrientes las cuales fueron dergimen laminar, se pueden ver en el anexoB. Con esta informacin nos basamos de lasiguiente ecuacin [4]

.Dando los siguientes resultados en la tabla 3:

esta va conectada a una bomba con el fin deimpulsar el fluido .La bomba fue diseadateniendo en cuenta la ecuacin de Bernoulli

Dando como resultado las siguientescaractersticas de la bomba, que se muestranen la tabla 7:

Tabla7: Especificacin diseo de la bombarecirculacin del etanol.

REFERENCIAS

[1] M. Moscoso, "Moodle," UniversidadNacional de Colombia Sede Medelln,2012 [Online] Available:

NPSH disponible[in]

10

Potencia [HP] 0,6

Velocidad [RPM] 3450

Electricidad [KW] 0,51


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el diseo operacional de una torre dedestilacin multicomponentes, Medelln:

Universidad de Antioquia, 2011.[4]Max S. Peters and Klaus D. Timmerhus,PLANT DESIGN AND ECONOMICSFOR CHEMICALS ENGINEERS ,cuarta edicin, pag 263

5.3 Intercambiadores de Calor

5.3.1 I ntercambiador E-1 y E-2

5.3.1.1 Diseo intercambiador de calorTubos y corazas

Un intercambiador de calor es un equipoutilizado para transferir calor entre dos

fluidos que se encuentran a diferentestemperaturas y estn separados por unafrontera slida. El principal problema en eldiseo trmico de intercambiadores de calores encontrar el tamao adecuado que debetener esa frontera slida o rea detransferencia de calor para garantizar unadeterminada taza de transferencia de calor. Se

tiene para eso la siguiente expresin:

q =UATm

Table # Data for calculations Exchanger 1m (kmol/s) 0,0310716

T1 (K) 30T2 (K) 475

Tw1 (K) 477

Tw2 (K) 470

Kw (W/mK) 0,002271

viscocidad w (Pa s) 0,6185

Densidad (Kg/m3)992

Cp (J /Kg K) 1,84

Q (W) 1646003,78m (Kmol/h) 1,12x102

m (Kg/h) 4,21x103

Los datos adicionales los encontramos en Anexo #

Tabla # Datos para el clculos IntercambiadorTable # Data for calculations Exchanger

m (kmol/s) 0,0310716

T1 (K) 400

T2 (K) 313,15

Tw1 (K) 291,15

Tw2 (K) 378

Kw (W/mK) 0,002271

viscocidad w (Pa s) 6,60E-04


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En este caso se propone la aplicacin de uncontrol en cascada, este tipo de estructura esefectiva cuando la perturbacin actasolamente sobre una parte secundaria de laplanta antes de transmitirse a la parteprincipal de la misma y adems es controlableen el sentido de que su efecto, (por ejemploun cambio en la variable manipulada), puedeser compensado actuando sobre el actuadordel lazo principal. Entre las ventajas quesupone el uso de control en Cascada cuando

se aplica correctamente, est el hecho de quesuele ser ms estable y de respuesta msrpida que el correspondiente lazo simple. Elprecio a pagar puede ser un encarecimientodel equipo. Se requieren un controlador ms,un sensor ms y un sistema adicional para latransmisin de la realimentacin.

En el anexo # se muestra el control propuesto.

[1] CENGEL, Y. Transferencia de Calor.2da.ed. Mxico: McGraw-Hill, 2004. pp.683-697[2] HEWITT, G. F. Heat exchanger designhandbook. Part 3. Thermal and hydraulicdesign of heat exchanger. exec. ed. NewYork: Begell House, 1998. pp. 3.1.4-4 -

3.3.8-2.[3] VALENZUELA, M. R. Apuntes detransferencia de calor. Riobamba: ESPOCH,2003. pp. 53-97.

debido a que se puede aumentar y reducirplacas segn la necesidad que se presente.

Teniendo en cuenta los datos obtenidos de lasimulacin, se calcul el calor transferidonecesario para enfriar el dietil ter desde328.75 K hasta 298.15. Teniendo en cuentaque el agua de enfriamiento tendr unatemperatura de entrada de 291.15 K, latemperatura a la salida debe ser alrededor de39C para evitar problemas de cavitacin y

con ello se halla la masa de agua requeridapara el enfriamiento del DEE.Luego se hallan los parmetro R y P [1], conlos cuales se determin el factor decorreccin F para la configuracin de placas,el cual fue 1.

Utilizando el nmero de unidades detransferencia NUT y la efectividad E seprocede a calcular el rea del intercambiadory con ello el coeficiente global detransferencia de calor.

Se escogieron placas de 1m por 0.25m con undistanciamiento de placas de 5mm, puestoque en los catlogos se encuentran longitudessimilares a stas. Posteriormente se realizan

los clculos necesarios para hallar el rea, elcoeficiente global de transferencia de calor enfuncin del nmero de placas. Luego de tenerel nmero de placas se realizan variaciones a


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5.3.3.2 Diseo de un sistema de control parael in tercambiador de calor E5

Para el caso propuesto, se determin quebasta con un lazo de control simple pararealizar un control adecuado del equipo. Lavariable medida ser la temperatura a lasalida del intercambiador, la cual se comparacon una referencia y luego se genera unaaccin de control sobre la vlvula que regulael agua de enfriamiento. (Ver anexo #)

REFERENCIAS[1] HEWITT, G. F. Process heat transfer.New York, CRC Press, 1993.[2] INCROPERA, F. P. Fundamentos detransferencia de calor. New York, PrenticeHall, 1999.[3] Peters, M. Timmerhaus, K. West, R. Plantdesign and economics for chemical engineers.Mc Graw Hill, 2003.

5.4 Torre de Enfriamiento

La torre de enfriamiento se hace necesaria enla planta de dietil ter, ya que los caudales de

agua de servicio para el enfriamiento de lacorriente principal son grandes; es decir elvolumen de enfriamiento es muy grande.

Figura .Algoritmo para el diseo de la torre.

5.4.2 Resultados

Tras aplicar el algoritmo y seleccionar la torrey empaques a usar se obtuvo los resultadosmostrados en la tabla.

Los anillos Pall de plstico se escogen tras labsqueda de un mejor material para la torre,lo encontrado es comparado con los AnillosRaschig, la eficiencia de los Anillos Pall eshasta por lo menos del 45%, y de hasta por lomenos el 20% cuando se los compara con losrellenos tipo montura de porcelana.

Se seleccionan anillos de Pall de plstico conun tamao nominal de 16 (5/8) mm.

MANTENIMIENTO DE LA TORRE DE

ENFRIAMIENTO

CLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE

EVALUCIN DE LAS CONDICIONES DE OPERACIN

CLCULO DE LA SECCIN TRANSVERSAL

ELECCIN DE LA TORRE

ESTIMACIN DE CONDICIONES AMBIENTALES


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Para la torre de enfriamiento los factoresclaves a controlar son el caudal a la entradade la torre y la temperatura de salida de latorre de enfriamiento, para solucionar elcaudal a la entrada se decidi disear untanque de homogenizacin y colocarlo en laentrada de la torre y para la temperatura uncontrol de temperatura que manipule lavelocidad del ventilador, esto se muestra en elanexo.

5.4.4 Tanque de homogenizacin

Para que las variaciones de caudal no afectenla dinmica de la torre de enfriamiento, sedisea un tanque de homogenizacin,ahorrndonos de esta forma un control deflujo que puede llegar a ser complicado; parahallar el volumen del tanque empleamos loscaudales que enva la torre a los equipos deenfriamiento, esto se observa en la Tabla 2.

Tabla .Caudales promedio que transporta la torrede enfriamiento

20,5 9,76

10,5 -0,24

10,4 -0,34

8,9 -1,843,4 -7,34

10,74

Segn los datos obtenidos, el volumen deltanque es 9,76 litros, pero lossobredimensionamos un factor de 20%; de

esta forma el volumen final del tanque es de12 litros.

El tanque enva a la torre de enfriamiento uncaudal de 6 l/s.

[1] SAWISTOWSKI. H. SMITH. W.Mtodos deClculo en los procesos de transferencia de

materia. Editorial Alhambra S. A. Madrid.

Espaa. Ed Primera. 1967. Pg. 379-423.[2] TREYBAL E. operaciones de transferencia demasa. Editorial Prentice Hall.


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