Diseño de un sistema de separación por destilación de una mezcla azeotrópica de ACN - Agu

Abstract

Un problema que se presenta continuamente en la industria química es la separación de una solución líquida en sus componentes. Existen muchos métodos de separación (rectificación, absorción, destilación, sedimentación, filtrado, centrifugación, precipitación, etc.). El mito do que se selecciona en cada ocasión depende de las características físicas y químicas de los componentes, de las concentraciones y propiedades de la mezcla y de factores económicos. El presente trabajo consiste en el diseño de un sistema para la separación de una mezcla de agua con una baja concentración de acrilonitrilo mediante la rectificación (sucesivas etapas de destilación) de la mezcla para la obtención de acrilonitrilo (ACN) con alto grado de pureza. Los principales equipos comprendidos en este sistema son: - la columna de destilación - el deflemador o condensador parcial - un condensador - un enfriador de líquido - un enfriador de gases - una botella de separación - un economizador o intercambiador en espiral Estos equipos forman una unidad de operación alimentada desde un tanque de servicio mediante una bomba centrifuga. El producto que sale del sistema para su aprovechamiento industrial es almacenado en un tanque de producto. El propósito de este trabajo es explicar las condiciones y métodos de destilación, seleccionar los parámetros (temperatura y concentración) para la operación del sistema, diseñar la columna de destilación y seleccionar y especificar los demás equipos del sistema. No se especifican en la tesis el tanque de servicio, las bombas necesarias para bombear el producto a la columna, las bombas necesarias para evacuar la columna ni los tanques del producto. Para la operación del sistema se requiere vapor, agua de refrigeración y refrigerante a baja temperatura (cero grados C), Se supone para los fines de esta tesis que se dispone de vapor, agua y refrigerante en cantidades suficientes y a las presiones requeridas. Completar el propósito de la tesis ha requerido estudio en diferentes campos de la ingeniería y consultas en una amplia y variada bibliografía. Se ha ingresado en el campo de la ingeniería química para obtener la base teórica para el diseño de la columna y para el análisis de los procesos de transferencia de masa y energía. También se han estudiado los procesos de transferencia de calor y sus ecuaciones para los intercambiadores de calor. Para la especificación de los equipos se ha hecho una recolección de las normas DIN que especifican materiales y elementos para la construcción de equipos para la industria química. En suma, los conocimientos adquiridos en la universidad han sido aplicados y ampliados además hacia algunos temas que no son generalmente tratados en los estudios universitarios de un ingeniero mecánico-electricista. Se han aplicado los conocimientos adquiridos especialmente en cursos de física, mecánica y dinámica de fluidos, termodinámica y diseño de elementos de máquinas. Las descripciones de procesos y cálculos efectuados en este trabajo son el resultado de la aplicación principalmente de la teoría de procesos de transferencia de masa y de transferencia de calor. El trabajo tiene una amplia base teórica pero escasa base empírica que proporcione la confirmación de los resultados obtenidos teóricamente. En la aplicación de factores de corrección, seguridad o de eficiencia se ha aplicado valores recomen dados en la literatura y de acuerdo con el criterio del autor. La confirmación de la exacta selección de estos factores puede realizarse únicamente empíricamente, en modelos o en una planta real. Pero se debe distinguir entre el carácter básicamente teórico del diseño y la posibilidad de la aplicación práctica de los resultados. Se ha afrontado un problema práctico y concreto de la industria química y la solución del problema se haría en forma similar si se necesitara separar cualquier otra mezcla binaria con similares características. Cualquier ingeniero que emprende un diseño debe seleccionar factores de seguridad y eficiencias para adecuar los resultados teóricos a las condiciones reales en la industria; esto mismo se ha hecho en esta tesis. Esta tesis es por ello un trabajo de ingeniería y no un trabajo académico o científico. No se ha recurrido por ejemplo en el diseño de los equipos o fórmulas complejas, sino que se han aplicado las recomendaciones de las normas DIN y fórmulas abreviadas para el cálculo. El trabajo puede ser dividido en dos etapas. En la primera se hace un recuento de las propiedades físicas del ACN y del comportamiento de la mezcla de ACN con agua. Las propiedades que más se destacan en esta etapa son la miscibilidad parcial del ACN líquido con agua; la característica casi lineal de la curva de equilibrio vapor-líquido de la mezcla y la propiedad azeotrópica de la mezcla. Luego se estudia la transferencia de masa y energía en varios procesos, planteándose las ecuaciones de balan ce de masas y energía de algunos modelos. Para el estudio de la destilación del ACN se plantea un modelo simplificado al asumir que las pérdidas de calor son nulas. Otras simplificaciones que se sustentan detalladamente en el desarrollo del tema permiten obtener una ecuación para calcular directamente el número de etapas teóricas en la columna de destilación. El cálculo del número de etapas de destilación es usualmente un proceso de iteraciones sucesivas en que se combina el cálculo con métodos gráficos. En la segunda etapa del trabajo se dimensionan los equipos para una capacidad de 40 m/hora. Es importante además la selección de las temperaturas del producto a la salida de la columna y a la salida del deflemador ya que son estas temperaturas los factores que mayor influencia tienen en la eficiencia del sistema y en el tamaño de los equipos. El desarrollo de la tesis se ha visto dificultado en algunas partes por no disponer de datos sobre propiedades de la mezcla ACN - agua, o respecto a la eficiencia de algunos equipos, especialmente la eficiencia de las etapas reales en la destilación. En tales casos se ha usado el resultado de valores calculados mediante algún procedimiento de aproximación o recomendados en la literatura. Queda pues abierta la posibilidad de efectuar un diseño más exacto y económico experimentando en un modelo de laboratorio. Se ha desarrollado un tipo de columna de destilación bastante simple si comparamos con la destilación de otros productos en que hay reflujo de destilado y se extrae (o agrega) producto en varios niveles intermedios diferentes de la columna de destilación. En el presente caso la mezcla líquida ingresa únicamente por la parte superior. La tesis ha sido dividida en capítulos y secciones; se han numerado únicamente aquellas ecuaciones a las que se hace referencia posterior; la numeración de las ecuaciones se hace usando el número de la sección en que apa recen por primera vez. Se incluye una buena cantidad de figuras numeradas correlativamente. La mayor parte de las figuras tienen como finalidad ayudar en la explicación del tema y no están dibujadas a escala. Se ha incluido al final de la tesis una sección para las observaciones y conclusiones referidas a cada capítulo. Puede resultar provechoso leer las observaciones referentes a un capítulo inmediatamente después de leer dicho capítulo. En varias secciones de la tesis se hace referencia al esquema de flujo del sistema. Es conveniente que el lector estudie este esquema detenidamente, en él se han plasmado todos los resultados de flujos, propiedades y dimensiones obtenidos en el trabajo. Por la gran frecuencia con que se debe usar la palabra acrilonitrilo, se ha adoptado la abreviación ACN.