Revisión del diseño de todo el proceso de una columna de destilación de metanol de 300 000 t/a

Serie «Diseño de columnas W4»: Estudio de caso de ingeniería final

Este estudio de caso relaciona los elementos principales del diseño de columnas tratados en los seis artículos anteriores: conceptos básicos de las bandejas de válvulas, normas de diseño, cálculos hidráulicos, bandejas de alta eficiencia, optimización del funcionamiento y herramientas de simulación.

El proyecto se centra en la columna principal de destilación de metanol T-202 de un complejo químico de carbón con una capacidad nominal de 300 000 toneladas al año. La revisión abarca todo el proceso de diseño, desde los datos del paquete de proceso y los cálculos manuales preliminares hasta la modelización rigurosa con RadFrac, la verificación hidráulica con KG-TOWER y los planos de construcción definitivos.

Análisis de datos de procesos

El complejo químico del carbón cuenta con una unidad de síntesis de metanol con una capacidad nominal de 300 000 t/año y 8 000 horas de funcionamiento al año. El metanol bruto procedente de la sección de síntesis entra primero en la precolumna T-201, donde se eliminan los componentes ligeros, como el éter dimetílico y los gases disueltos.

El flujo de fondo procedente de la columna T-201 pasa a continuación a la columna principal T-202 para la separación de metanol y agua.

Condiciones de diseño del T-202

• Capacidad de alimentación: 38,5 t/h
• Composición de la mezcla: 82,0 % en peso de metanol y 18,0 % en peso de agua
• Estado del producto: líquido en su punto de ebullición
• Producto de salida: 36,5 t/h de metanol al 99,95 % en peso
• Aguas residuales de fondo: 2,0 t/h con menos de 100 ppm de metanol
• Presión de funcionamiento: 0,03 MPaG en la parte superior de la columna
• Método de cálculo de propiedades: NRTL, con datos de equilibrio vapor-líquido extraídos de la base de datos APV72 de Aspen Plus

Las fracciones molares de la alimentación se calculan utilizando pesos moleculares de 32,04 para el metanol y de 18,02 para el agua.

Un caudal de alimentación de 38,5 t/h contiene:

• Metanol: 31,57 t/h, lo que equivale a 985,9 kmol/h
• Agua: 6,93 t/h, lo que equivale a 384,6 kmol/h
• Caudal molar total: 1.370,5 kmol/h

La composición del pienso correspondiente es la siguiente:

xF = 0,719 fracción molar de metanol

Las composiciones de los productos indicadas son:

• Composición de los gastos generales: xD = 0,997
• Composición de las partes inferiores: xB = 0,00006

Cálculos preliminares a mano

Número mínimo de etapas teóricas según la ecuación de Fenske

Se supone que la volatilidad relativa media del sistema metanol-agua es:

αavg ≈ 4,5

Este valor representa una media integrada del modelo NRTL en todo el rango de concentraciones. La volatilidad relativa es de aproximadamente 7,5 en la región de baja concentración de metanol y de aproximadamente 3,5 en la región de alta concentración de metanol.

El número mínimo de etapas teóricas se calcula de la siguiente manera:$$N_{\min}= \frac{ \log\left[ \left(\frac{x_D}{1-x_D}\right) \left(\frac{1-x_B}{x_B}\right) \right] }{ \log(\alpha) }$$

Sustituyendo los valores indicados:$$N_{\min}= \frac{ \log\left[ \left(\frac{0,997}{0,003}\right) \left(\frac{0,99994}{0,00006}\right) \right] }{ \log(4,5) }$$$$N_{\min}= \frac{\log(332,3 \times 16{,}657)} {\log(4,5)}$$$$N_{\min}= \frac{\log(5{,}538{,}000)}{1,504} = \frac{6,743}{1,504} \approx 4,5$$

El resultado preliminar se redondea a:

Nmin = 5 etapas, incluido el rehervidor

Índice mínimo de reflujo

Para una alimentación de líquido con punto de burbuja:$$q=1$$

La composición del vapor en equilibrio correspondiente a la composición de la alimentación se calcula de la siguiente manera:$$y_F^* = \frac{\alpha x_F} {1 + (\alpha - 1) x_F}$$$$y_F^* = \frac{4,5 \times 0,719}{1 + 3,5 \times 0,719} = \frac{3,236}{3,517} = 0,920$$

La relación de reflujo mínima indicada es:$$R_{\min}= \frac{x_D-y_F^*} {y_F^*-x_F}$$$$R_{\min} = \frac{0,997 - 0,920}{0,920 - 0,719} = \frac{0,077}{0,201} = 0,38$$

Por lo tanto:

Rmin = 0,38

Número real de etapas teóricas utilizando la correlación de Gilliland

La relación de reflujo de funcionamiento seleccionada es:$$R = 1,8$$

Esto da como resultado:$$\frac{R}{R_{\min}} = 4,7$$

Aunque es relativamente alta, esta relación de reflujo tiene por objeto garantizar una pureza del metanol de grado AA y una flexibilidad operativa suficiente.

Las variables de Gilliland se calculan de la siguiente manera:$$X = \frac{R - R_{\min}}{R + 1} = \frac{1,8 - 0,38}{2,8} = 0,507$$$$Y = 0,75(1 - X^{0,5668})$$$$Y = 0,75(1 - 0,507^{0,5668}) = 0,75(1 - 0,658) = 0,256$$

A continuación, el recuento teórico de etapas se calcula de la siguiente manera:$$N = \frac{N_{\min} + Y}{1 - Y}$$$$N = \frac{5 + 0,256}{0,744} = 7,1$$

Este valor incluye el condensador y el recalentador.

Sin embargo, este resultado se basa en la hipótesis de una volatilidad relativa constante. En la región del metanol de alta pureza, la volatilidad relativa desciende por debajo de 3,5. Por lo tanto, utilizar un valor constante de 4,5 puede llevar a subestimar el número necesario de etapas teóricas.

El riguroso modelo de equilibrio vapor-líquido RadFrac indicaba que se requería:

24 etapas teóricas, incluidos el condensador y el rehervidor

Este valor es aproximadamente 3,4 veces superior a la estimación preliminar. El resultado ilustra un importante principio de diseño:

Los cálculos manuales permiten establecer la orientación preliminar, mientras que una simulación rigurosa proporciona la precisión de diseño necesaria.

Diámetro preliminar de la columna mediante el método de Souders-Brown

Las condiciones de altura indicadas son:

• Temperatura: 65 °C
• Presión absoluta: 0,13 MPaA
• Densidad del vapor: 1,48 kg/m³
• Densidad del líquido: 750 kg/m³

El caudal de vapor por la parte superior se calcula de la siguiente manera:$$V = D(R + 1)$$$$V = 985,9 × 2,8 = 2{,}760,5\ \text{kmol/h}$$

Los valores indicados correspondientes son:

• Caudal másico de vapor: 88 440 kg/h
• Caudal volumétrico de vapor: 19,2 m³/s

El parámetro de flujo vapor-líquido es:$$F_{LV} = \frac{L}{V} \sqrt{\frac{\rho_V}{\rho_L}}$$$$F_{LV} = \frac{1,8}{2,8} \sqrt{\frac{1,48}{750}}$$$$F_{LV} = 0,643 × 0,0444 = 0,0286$$

Para una distancia entre bandejas de 600 mm, la correlación de Fair da como resultado:$$C_{SB0}=0,082\ \text{m/s}$$

La velocidad de inundación es:$$u_{\text{inundación}} = 0,082 \sqrt{\frac{750 - 1,48}{1,48}}$$$$u_{\text{inundación}} = 0,082 × 22,5 = 1,84\ \text{m/s}$$

Utilizando el 80% de la velocidad de inundación:$$u = 1,47\ \text{m/s}$$

El área transversal necesaria es:$$A = \frac{19,2}{1,47} = 13,1\ \text{m}^2$$

El diámetro correspondiente es:$$D = \sqrt{\frac{4 \times 13,1}{\pi}} = 4,08\ \text{m}$$

Por lo tanto, el diámetro nominal preliminar se selecciona de la siguiente manera:

DN4000

Figura 1. Disposición de la columna T-202 con 48 bandejas de válvulas F1, un diámetro nominal de DN4000 y 24 bandejas tanto en la sección de rectificación como en la de separación.

Modelización rigurosa de RadFrac

Los cálculos manuales establecen el rango de diseño preliminar, mientras que el modelo riguroso determina los requisitos definitivos de separación.

La columna contiene 48 bandejas reales. Suponiendo una eficiencia global de las bandejas de 50%, estas bandejas se corresponden con 24 etapas teóricas. El condensador total se define como la etapa 1, y el recalentador de la caldera se define como la etapa 24.

La materia prima entra en la etapa 12.

Configuración del modelo RadFrac

• Método de la propiedad: NRTL-RK
• Modelo de fase líquida: modelo de coeficiente de actividad NRTL
• Modelo de fase de vapor: ecuación de estado de Redlich-Kwong
• Número de etapas: 24, incluyendo el condensador total y el recalentador de la caldera
• Etapa de alimentación: Etapa 12
• Condición de alimentación: líquido de punto de burbuja calculado automáticamente por Aspen Flash
• Especificaciones de funcionamiento: relación de reflujo de 1,8 y caudal de destilado de 985,9 kmol/h
• Método de convergencia: Newton-Raphson
• Rendimiento de convergencia: cuatro iteraciones con un residuo inferior a 10⁻⁵
• Especificaciones de diseño: concentración de metanol en el gas de salida de al menos el 99,95 % en peso, con la relación de reflujo ajustada automáticamente

Resultados convergentes

• Producto de salida: 36,5 t/h de metanol con una pureza del 99,952 % en peso
• Aguas residuales de fondo: 2,0 t/h con un contenido de 85 ppm de metanol
• Potencia del condensador: 12,8 MW
• Aumento de la temperatura del agua de refrigeración: 15 °C
• Caudal nominal de agua de refrigeración: 61,3 t/h
• Potencia del rehervidor: 13,5 MW
• Fluido caloportador: vapor a 0,3 MPaG
• Consumo de vapor declarado: 21,8 t/h
• Temperatura en la parte superior de la columna: 64,8 °C
• Temperatura en la etapa de alimentación: 78,3 °C
• Temperatura en la parte inferior de la columna: 99,2 °C

Verificación hidráulica detallada en KG-TOWER

Los perfiles de flujo de vapor y líquido obtenidos con RadFrac se importan a KG-TOWER para realizar una verificación hidráulica bandeja por bandeja.

Los parámetros de bandeja especificados son:

• Diámetro de la columna: DN4000
• Distancia entre bandejas: 600 mm
• Altura de la presa: 50 mm
• Longitud de la presa: 2,4 m, equivalente a 0,6D
• Número de válvulas F1: 850
• Porcentaje de superficie abierta: 12,81 TP3T

Comprobación de inundaciones

La bandeja superior se identifica como la condición hidráulica de control.$$F_{LV}=0,0286$$$$C_{SB}=0,082\ \text{m/s}$$$$u_{\text{inundación}}=1,84\ \text{m/s}$$

La velocidad real del vapor superficial se expresa de la siguiente manera:$$u = \frac{19,2}{12,57} = 1,53\ \text{m/s}$$

Por lo tanto, el porcentaje de inundación es:$$\text{Porcentaje de inundación}= \frac{1,53}{1,84} = 83,2\%$$

Resultado: 83,21 TP3T, dentro del rango preferido indicado de 601 TP3T–851 TP3T

Factor de energía cinética del orificio de la válvula

Para una válvula con un diámetro de apertura de 49 mm, el área total del orificio es:$$A_h = 850 × \frac{\pi}{4} × 0,049² = 1,61 \ \text{m}^2$$

La velocidad del agujero es:$$u_{\text{agujero}} = \frac{19,2}{1,61} = 11,9\ \text{m/s}$$

El factor de energía cinética es:$$F_0 = u_{\text{agujero}} \sqrt{\rho_V}$$$$F_0 = 11,9\sqrt{1,48} = 14,5$$

Resultado: F₀ = 14,5, dentro del rango preferido indicado de 8 a 15

Este valor indica una resistencia adecuada al goteo en las condiciones de diseño.

Tiempo de permanencia en el conducto de bajada

El área del conducto de bajada indicada en un lado es:$$A_d = 0,754\ \text{m}^2$$

El volumen del conducto de bajada es:$$V_d = 0,754 × 0,6 = 0,452\ \text{m}^3$$

El caudal del líquido es:$$87,6\ \text{m}^3/\text{h} = 0,0243\ \text{m}^3/\text{s}$$

El tiempo de permanencia es:$$\tau = \frac{0,452}{0,0243} = 18,6\ \text{s}$$

Resultado: 18,6 segundos, lo que supera el requisito mínimo establecido de cinco segundos

Por lo tanto, el conducto de bajada proporciona tiempo suficiente para que el vapor se separe en las condiciones de diseño indicadas.

Sincronización

Utilizando la correlación de Glitsch con un porcentaje de inundación del 83,21 TP3T:$$e_v ≈ 0,038 \ \text{kg de líquido/kg de vapor}$$

Resultado: 0,038 kg de líquido/kg de vapor, por debajo del límite establecido de 0,1

Flexibilidad operativa

Con una carga de 50%:$$F_0 = 7,3$$

Este valor sigue estando por encima del mínimo establecido de 5, lo que indica que no existe un riesgo significativo de filtración.

Con una carga de 120%, el porcentaje de inundación previsto es:$$99.6\%$$

Esta situación se acerca al límite de inundación.

El rango de regulación indicado es:$$\text{Rango de funcionamiento} = \frac{120\%}{50\%} = 2,4$$

Resultado: un rango de funcionamiento de 2,4, sujeto al margen hidráulico limitado a carga máxima.

Cinco aspectos fundamentales que hay que tener en cuenta en el diseño

Selecciona un modelo termodinámico adecuado

El sistema metanol-agua es muy poco ideal y polar. Un modelo de coeficiente de actividad en fase líquida, como el NRTL, suele ser más adecuado que basarse únicamente en ecuaciones de estado cúbicas, como las de Peng-Robinson o SRK.

El estudio original atribuye las desviaciones en el equilibrio vapor-líquido de hasta 30% en la región de alto contenido en metanol a una selección inadecuada del modelo de propiedades. Dichas desviaciones pueden provocar errores sustanciales en la predicción de las necesidades de etapa.

La combinación NRTL-RK utiliza el modelo NRTL para la fase líquida y la ecuación de estado de Redlich–Kwong para la fase gaseosa.

La alta pureza no debería depender únicamente de bandejas adicionales

En la producción de metanol de grado AA, la mejora de la pureza puede implicar algo más que aumentar el número total de bandejas.

El sistema propuesto extrae el producto de las bandejas 2 a 4, al tiempo que utiliza la etapa superior como sección de purificación o de reflujo. En condiciones de diseño adecuadas, esta configuración puede proporcionar una mayor pureza del producto que la extracción directa desde la parte más alta de la columna.

Sin embargo, la terminología y la configuración deben definirse con cuidado, ya que un condensador total convencional no cuenta con una bandeja de equilibrio situada por encima de la salida del producto, en el mismo sentido que una sección de bandejas internas.

Control del arrastre cuando el metanol de los residuos debe mantenerse por debajo de 100 ppm

Cuando la concentración de metanol en los residuos debe mantenerse por debajo de 100 ppm, es necesario evaluar cuidadosamente el arrastre en la sección inferior.

La preocupación expresada es que el vapor procedente de los platos inferiores pueda arrastrar hacia arriba líquido que contenga metanol. Las medidas propuestas incluyen aumentar la separación entre los tres o cinco platos inferiores a 800 mm o utilizar platos con válvulas direccionales para reducir los gradientes del nivel de líquido.

La relación real entre el arrastre y la concentración de metanol en el fondo debería confirmarse mediante un balance completo de componentes y una simulación bandeja por bandeja.

Comprobar el parpadeo del alimentador

Si el flujo de fondo del T-201 entra en el T-202 a una temperatura superior a su punto de burbuja, puede producirse un fenómeno de flash en la bandeja de alimentación y alterar el flujo interno de vapor y líquido.

Se puede utilizar un enfriador de alimentación para mantener la temperatura de la alimentación dentro de un margen de aproximadamente ±2 °C respecto a su punto de burbuja. En Aspen Plus, al especificar una fracción de vapor de la alimentación igual a cero, se puede calcular la condición correspondiente al punto de burbuja.

Evitar el funcionamiento con la columna fría en invierno

Una columna nominalmente atmosférica puede funcionar bajo un ligero vacío durante el invierno si las pérdidas de calor son excesivas. Una temperatura baja en la parte superior puede sobreenfriar el reflujo y reducir el flujo interno de vapor, lo que aumenta el riesgo de goteo en las bandejas.

Entre las posibles medidas se incluyen mejorar el aislamiento de la columna e instalar un calentador de reflujo para mantener la temperatura de reflujo requerida. El caso de referencia propone una temperatura de reflujo de al menos 60 °C.

Conclusión

El diseño del T-202 sigue cinco etapas principales:

Análisis de los datos del proceso → cálculos manuales preliminares → simulación rigurosa → verificación hidráulica → entrega de los planos de construcción

Se presentan tres lecciones fundamentales de ingeniería.

Los cálculos manuales permiten establecer el rango preliminar

Los cálculos de Fenske y Underwood pueden proporcionar un rango de diseño inicial. Sin embargo, suponer una volatilidad relativa constante puede subestimar considerablemente el número de etapas necesarias en la región del metanol de alta pureza.

RadFrac garantiza la precisión en la separación

Según el modelo de equilibrio vapor-líquido basado en NRTL mencionado, la columna requiere 24 etapas teóricas, en lugar de las siete etapas previstas en el cálculo preliminar.

Esta diferencia pone de manifiesto la importancia de contar con modelos termodinámicos rigurosos para la separación de alta pureza.

KG-TOWER evalúa la viabilidad hidráulica

El diseño descrito da como resultado:

• Porcentaje de inundaciones: 83,21 TP3T
• Factor de energía cinética del orificio de la válvula: 14,5
• Tiempo de permanencia en el conducto de bajada: 18,6 segundos
• Arrastramiento: 0,038 kg de líquido/kg de vapor
• Rango de funcionamiento: 2,4

Estos resultados indican que el diseño se sitúa cerca del límite superior del rango de funcionamiento hidráulico recomendado. Es necesario realizar comprobaciones adicionales antes de que la columna pueda considerarse lista para la ingeniería de detalle o la construcción.

Este caso pone fin a la serie de siete entregas sobre el diseño de columnas W4:

Conceptos básicos de las bandejas de válvulas → normas de diseño → cálculos hidráulicos → bandejas de alta eficiencia → optimización del funcionamiento → herramientas de simulación → estudio de caso de ingeniería

La próxima serie se centrará en el diseño de reactores, comenzando por los fundamentos de los reactores de tanque agitado.

Debate

Para el metanol comparable columnas de destilación, entre los datos operativos clave se incluyen el tipo de bandeja de válvulas seleccionado, la eficiencia medida de la bandeja, el margen de inundación, el rendimiento en el rango de regulación y la eficiencia de separación real. La comparación de estos valores entre las plantas en funcionamiento puede ofrecer una orientación útil para futuros diseños.