COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO DEPARTAMENTO DE ENERGETICA UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS PROGRAMA : INGENIERÍA QUÍMICA
PRACTICA Nº 5. Análisis de una columna empacada para absorción gaseosa utilizando un simulador comercial
Profesores Ing. Alexander Colina Ing. Carmen Brock Ing. Adriana Silva Punto Fijo, MARZO de 2016
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I. Fundamentos teóricos I.1. Sistemas de transferencia de masa I.2. Tipos de operaciones de transferencia de masa
I.2.1. Absorción gaseosa Es una operación unitaria en la cual se verifica un proceso de transferencia de masa desde una fase gas hasta una fase líquida, que resulta de la solubilidad de uno o más compuestos del gas en la fase líquida a una temperatura y presión dada. 1.2.2. Tipos de columnas de absorción - Columnas Empacadas Son llamadas también equipos de contacto continuo. En estas se ponen en contacto dos fases, por lo general, en contracorriente, y éstas son inmiscibles. - Consideraciones de las columnas empacadas
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Esquema típico de absorción gaseosa – Planta de endulzamiento de gas natural con amina La corriente de gas entra por el fondo del contactor donde se pone en contracorriente con el flujo de la solución de amina que entra por el tope de la columna, este contacto intimo entre los componentes ácidos del gas natural y la amina provoca una reacción química que tiene como producto una sal regenerable en estado líquido, por lo que es arrastrada por la corriente que sale por el fondo de la torre. Como el gas continua subiendo por el absorbedor, más gases ácidos reaccionan químicamente con la amina. El gas dulce que abandona la torre absorción esta saturado con agua para deshidratación.
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Figura # 1. Diagrama de Bloques de Planta – Proceso de endulzamiento del gas natural con amina
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CONTENIDO II. Simulación de Procesos con Pro-II / versión provision 9.2 II.1 Descripción de la interfaz grafica del simulador II.2. Procedimiento general para realizar simulación II.3. Ejercicio de aplicación de una simulación de proceso
Figura # 2. Simulación del Proceso de endulzamiento del gas natural con amina
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Descripción de la interfaz grafica Es la principal herramienta para simulación de Proceso de SimSci.PRO/II combina los recursos de datos de una biblioteca de componentes químicos y métodos de predicción de propiedades termodinámicas con las técnicas de operaciones unitarias más avanzadas y flexibles. Se puede visualizar en un entorno grafico interactivo de Windows® ¿Cuáles son las ventajas de los simuladores?
Permite experimentación controlada. •
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una
Evita costos o riesgos ya que no es necesario interrumpir el desarrollo del sistema
¿Modelar? O ¿simular?
SIMPLIFICACIÓN de los Simplifica los procesos productivos y evalua diseños alternativos de sistemas. 5
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Menú e Interfaz del usuario del simulador Pro-II 1. Iniciar sesión mediante una ventana en la pantalla de inicio de Windows 2. Acceder al programa, haciendo click en la parte inferior de la ventana emergente
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Menú e Interfaz del usuario del simulador Pro-II 1. Seleccionar en la barra de herramientas un nuevo proyecto 2. Definir las unidades de medida 3. Seleccionar los componentes 4. Definir el método termodinámico 5. Acceder al área de trabajo y dibujar el DFP en base a corrientes y equipos de proceso 6. Definir las condiciones de proceso principales y quipos 7. Correr la simulación 8. Emitir reporte y analizar los resultados
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Barra de Menú Barra de herramientas Área de trabajo Ventana de mensajes
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Figura # 3. Proceso de endulzamiento del gas natural con amina- Simulación de Procesos
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COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO DEPARTAMENTO DE ENERGETICA UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III EJEMPLO DE APLICACIÓN DE UNA SIMULACIÓN CON PRO-II
Selección de componentes en Pro-II Se utiliza para corrientes de composición conocida. 1.- El ingreso de componentes de la base de datos se realiza mediante el botón SELECT FROM LISTS
2.-Los componentes pueden ser agrupados en familias o seleccionar ALL COMPONENTS 3.- Los componentes se buscan en la BD con base tres criterios: nombre, alias y fórmula 4.- Una vez definido los componentes se pueden chequear sus fases mediante el
botón COMPONENT PHASES
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Selección de componentes en Pro-II Se utiliza para corrientes de composición conocida. 1.- El ingreso de componentes de la base de datos se realiza mediante el botón SELECT FROM LISTS
2.-Los componentes pueden ser agrupados en familias o seleccionar ALL COMPONENTS 3.- Los componentes se buscan en la BD con base tres criterios: nombre, alias y fórmula 4.- Una vez definido los componentes se pueden chequear sus fases mediante el
botón COMPONENT PHASES
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Selección de componentes de petróleo 1. Mediante el botón PETROLEUM se pueden ingresar cortes o componentes. 2. Para estos componentes de petróleo las propiedades físicas y termodinámicas se determinan correlacionando los siguientes tres parámetros: punto normal de ebullición, densidad estándar de líquido y peso molecular. 3. Debe suministrar dos de los tres parámetros. El tercero se obtendrá por correlación.
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Selección del método termodinámico •
•
La información necesaria para corrientes de entrada en un flowsheet son flujo, composición y condiciones termodinámicas. Las propiedades de las corrientes de salida de cualquier equipo, serán el resultado de las estimaciones del simulador.
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Selección del método termodinámico Corrientes de proceso La información necesaria para corrientes de entrada en un flowsheet son flujo, composición y condiciones termodinámicas. •Las propiedades de las corrientes de salida de cualquier equipo, serán el resultado de las estimaciones del simulador. Se selecciona el método mas común: SRW / PR
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Reporte de resultados
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Reporte de resultados Algoritmos de cálculo en columnas de destilación
Fuente: Manual de simulación de procesos, (2016)
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COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO DEPARTAMENTO DE ENERGETICA UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III CONSIDERACIONES GENERALES EN EL DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO Ejercicio de Aplicación de simulación de procesos
Ejercicio 1. Una mezcla de gas contiene 6.0% de S02 y 94% de aire seco va a lavarse con agua dulce en una torre empacada con anillos Rasching de cerámica de 1 plg para eliminar el S02, de tal manera que el gas de salida no contendrá mas de 0.1 % en mol de S02. La torre debe tratar 1000lb/h y va a diseñarse usando 50% de la velocidad de inundación. El flujo de agua será el doble del mínimo requerido para alcanzar esta separación. Las condiciones de operación serán isotérmicas a 87 ºF y 1 atm de presión. Determine el diámetro y la altura de la torre requerido. Considere: a) Realice la curva de equilibrio del sistema b) Realice el modelo de simulación Caso estudio (sizing) / (rating) c) Análisis de sensibilidad.
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COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO DEPARTAMENTO DE ENERGETICA UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO OPERACIONES UNITARIAS III CONSIDERACIONES GENERALES EN EL DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO I.1. Condiciones de equilibrio para el sistema S02-AIRE-AGUA Presión S02 (mm Hg)
0.6
1.7
4.7
8.1
11.8
19.7
36.0
52.0
79.0
Composición
0.02
0.05
0.10
0.15
0.20
0.30
0.50
0.70
1.0
Densidad de la solución (lb/pie3)
62.16
62.17
62.19
62.21
6.22
62.25
62.32
62.3
62.47
1.2. Condiciones de operación del Proceso
Flujo
1000Lb/h
Temperatura
87ºC
Presión
14.7 Psia
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SOLUCIÓN a)
Curva de equilibrio. Convertir los datos de equilibrio a unidades de fracción mol y graficar
Y
0.00079
0.00224
0.0062
0.0107
0.01566
0.0259
0.0474
0.0684
0.104
X
0.0000565
0.000141
0.000281
0.000422
0.000564
0.000844
0.00141
0.00197
0.0028
Figura 1. Simulación de torre absorbedora con Pro-II version 9.2 (2016)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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GENERATE TEXT REPORT 1. Revisar los flujos de los componentes de la alimentación 2. Realizar análisis de sensibilidad en cada uno de los equipos de proceso, para corroborar lo requerido Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2016)
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Fuente: Manual de simulación de procesos. Pro-II/9.2 (2015)
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada Tipos de Empaques Desordenados o relleno - Metálicos (restricción para corrosión > 0.25 mm/anual - Cerámicos ( ideal para procesos de absorción química) - Plásticos ( restricción a temperaturas > 120ºC) TABLA 1. EQUIVALENCIA DE LAS DISTINTAS DENOMINACIONES COMERCIALES DE EMPAQUE, EMPAQUES ESTRUCTURADOS
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada Tipos de empaques estructurados
Criterios de dimensionamiento de columnas empacadas
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada / empaques desordenados Determinación de diámetro – Diagrama de Ekert
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada / empaques desordenados Caída de presión promedio
Altura de la torre empacada (HETP) “Altura equivalente de una etapa teórica) Empaques desordenados Factor de separación de empaque > Dt/ Dp = 10 – 40 (tamaño del empaque) Numero de etapas teóricas: < 5 etapas para maximizar la distribución de liquido > 10 etapas disminuye la eficiencia
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada / empaques desordenados Consideraciones generales según el tipo de servicio en torres empacadas: Si el servicio es limpio -Las corrientes tienen contenido despreciable de solidos y la tendencia a la corrosión es baja - Tendencia a la formación de espuma - No hay incremento súbito de la presión - Debe usarse empaques desordenados o no estructurados para columnas de destilación de alta presión - Generalmente la presión tiene poco efecto en la eficiencia de los empaques al menos por encima de presiones del orden de 0.07 a 0.14 bar abs. (1 a 2 psia). En destilación a alta presión (> 14 a 20 bar abs.) se ha observado que la eficiencia de los empaques estructurados disminuye con un aumento de presión
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Consideraciones en el Diseño de una columna de destilación empacada / Datos de eficiencias publicados en empaques desordenados