Carolina Bermúdez Salguero

Bomba de calorLos requerimientos energéticos de una destilación a baja temperatura y presión pueden reducirse mediante el efecto de bomba de calor para “bombear” calor desde el condensador al ebullidor, es decir, el calor liberado en el condensador puede utilizarse para suministrar la energía requerida en el ebullidor. Cuando el destilado es un buen refrigerante, se puede utilizar el arreglo de la siguiente figura, conocido comúnmente como recompresión de vapor.

El vapor de la cabeza de la columna (corriente 1) se comprime de forma que su temperatura (corriente 2) sea superior a la temperatura de ebullición del producto de fondo de la columna (corriente 8), para así poder vaporizarlo (corriente 9) y reingresar parte del flujo a la columna (corriente 10) y otra parte obtenerlo como producto de fondo (corriente F). El condensado que sale del ebullidor (corriente 3) se somete a un flash a través de la válvula de expansión V-1 (corriente 4) hasta la presión de cabeza de la columna para proporcionar el reflujo requerido (corriente 5) y el producto destilado (corriente 6), que se somete a un enfriamiento posterior mediante una expansión en la válvula V-2 (corriente D). En el arreglo de la figura, el vapor de cabeza comprimido (corriente 2) es insuficiente para vaporizar el flujo total del producto de fondo (corriente 7), por lo que se incorpora un ebullidor auxiliar I-2 calentado con vapor de agua; el vapor generado (corriente 12) se reingresa a la columna.

1

2

3

4 5

6 D

7

8

9

11

C-1

V-1

V-2

12

I-1I-2

10

F

I-3

Problema. Una mezcla de propileno y propano se separa en una columna de destilación que opera en un arreglo de recompresión de vapor. El vapor de la cabeza de la columna (corriente 1) es prácticamente propileno puro como vapor saturado a 7 bar. El producto líquido de la columna (corriente 7) es prácticamente propano puro como líquido saturado a 7 bar. El propano debe reingresar a la columna a 300 K (corrientes 10 y 12).

La corriente 1 es comprimida en el compresor C-1 hasta una presión de 15 bar, con una eficiencia del 80%. La energía de la corriente 2 se utiliza en el ebullidor I-1 para vaporizar la corriente 8; la corriente 2 se condensa hasta un estado de líquido saturado (corriente 3). A continuación, el propileno se “flashea” en la válvula V-1 hasta una presión igual a la de la cabeza de la columna. La fase líquida (corriente 5) se recircula a la columna de destilación (reflujo). La fase vapor (corriente 6) se enfría mediante una expansión en la válvula V-2 hasta una presión de 1 bar (corriente D).

Desprecie la caída de presión en todos los intercambiadores de calor.

a) Calcule las propiedades termodinámicas de todas las corrientes del proceso; complete la tabla. Utilice la ecuación SRK. Debido a que las propiedades del propileno y del propano son semejantes, emplee las propiedades del propileno puro para todos los cálculos.

Si el flujo de propileno y propano es de 1800 mol/h en las corrientes (1) y (7), respectivamente:

b) Calcule la potencia requerida en el compresor C-1. Reporte en kWatts. (Respuesta: PC-1 = 0.98 kWatt)

c) Reporte la fracción de la corriente 4 que se encuentra en estado líquido. A partir de esta fracción puede calcular el flujo de las corrientes 5 y 6.(Respuesta: xlíq = 0.78)

d) Calcule la carga térmica en el ebullidor I-1. Reporte en kWatts.(Respuesta: PI-1 = 7.2 kWatt)

e) Determine el flujo de propano que puede ser vaporizado en el ebullidor I-1 (corriente 8), si el propano debe reingresar a la columna a 300 K. (Respuesta: Flujo8-9 = 0.416 mol/s = 1498 mol/h)

f) Si se retiran 300 mol/h de propano como producto de fondo de la columna (corriente F), calcule la carga térmica requerida en el condensador I-3 para obtener vapor saturado como producto. Reporte en kWatts.(Respuesta: PI-3 = 0.12 kWatts)

g) Calcule la carga térmica requerida en el ebullidor auxiliar I-2. Reporte en kWatts.(Respuesta: PI-2 = 1.45 kWatt)

Si la columna de destilación se operara en forma convencional como se ilustra a continuación, y la corriente 7 se evaporara completamente en el ebullidor I-1 con vapor de agua hasta elevar su temperatura a 300 K,

h) ¿cuál sería la carga térmica en el ebullidor I-1? (Respuesta: PI-1 = 8.6 kWatt)

Los principales costos de operación de una columna de destilación están dados por el consumo de vapor de agua de calentamiento en los ebullidores (I-1 e I-2) y por el consumo de energía eléctrica en el compresor (C-1). El costo del agua de enfriamiento en los condensadores (I-3 e I-4) es despreciable. Si el precio del vapor de agua es de $1.36/kWatt-h y el de electricidad es de $ 1.5/kWatt-h,

i) determine qué arreglo (por compresión de vapor o el arreglo convencional) se opera al menor costo por hora. Respuesta: Arreglo convencional: $ 11.69 / h; compresión de vapor: $ 3.44 / h.

I-4D

7I-1 I-1

F

I-3

1

8

10 9

Resultados. Destilación por recompresión de vapor

CorrienteFlujo

(mol/h) EstadoT

(K)p

(bar)h

(J/mol)S

(J/mol·K)

1 1800 Vap. Sat. 279 7 -2039 -22.35

2 Vap. Sob. 320.2 15 -72 -21.11

3 Liq. Sat. 308.4 15 -14411 -67.55

4 L-V 307.9 7 -14411 -67.3

5 1410 Liq. Sat. 279 7 -17833 -78.95

6 390 Vap. Sob. 279 7 -2039 -22.35

D Vap. Sob. 267.3 1 -2039 -7.08

7 1800 Liq. Sat. 279 7 -17833 -78.95

8 Liq. Sat. 279 7 -17833 -78.95

9 Vap. Sob. 300 7 -603 -17.39

10 Vap. Sob. 300 7 -603 -17.39

11 Liq. Sat. 279 7 -17833 -78.95

12 Liq. Sat. 300 7 -603 -17.39

F Vap. Sat. 279 7 -2039 -22.35

Pot = (h2-h1)*Flujo = (J/h)*(1h/3600s) = watt*(1kwatt/1000watt) = kwatt