Avance proceso de separación

Felipe Andres Villamil Quintero

02245590

05/03/2015

Profesor Luis Alejandro Boyacá Mendivelso

En una planta de proceso se dispone de una corriente acuosa que contiene etanol, amoniaco y dietanol amina, (agua 12%mol, etanol 25%, amoniaco 18%, dietanolamina 45% ) con flujo de  650 L/min, 20°C, 12 psig. Se encarga a su grupo la tarea de definir el proceso que permitirá separar los productos en especificaciones tales que sea posible su comercialización.Se espera que su trabajo defina la secuencia de operaciones, condiciones de operación dimensiones, balance de materia y energía, y diseño de los equipos de proceso para alcanzar la recuperación, en el mayor porcentaje, de las sustancias mencionadas.

Propiedades

propiedad agua Etanol amoniaco Dietanolamina

T ebullición °C 100 78  -33 271.1T fusión °C 0 -114 -78 28Calor latente vaporización kj/mol

40,65 38,6 23,35 NR

Presión de vapor (20°C)

2340.61 Pa 7866 Pa 8573 h Pa <1 Pa

T de auto ignición °C

- 363 651 365

Punto flash °C - 16 Flamable 138 Log Coef de partición octanol/agua

- - - 1.761

Requerimientos misceláneos:

El amoniaco puede venderse en mesclas del 90% con agua pero solo con agua, el etanol puede venderse a mesclas cercanas al punto azeotropicas con agua, aprox 90%, la dietanol amina puede venderse al 85% mesclada con agua y otras aminas de su categoría (trietanolamina) suele venderse como un sólido: el agua puede desecharse o realimentarse al proceso anterior, para el etanol la proporción debe estar de1 etanol a 20 moles de agua para verterse al desagüe, la concentración permisible máxima de amoniaco según chile en

el agua debe ser de 24 mg/m3 y la concentración de dietanolamina debe ser del 0.0022 Mg/l

Análisis de operaciones

Operaciones posiblemente necesarias

- Flasheo

- Absorción

- Destilación

- Cristalización

- Extracción con solvente

- Desorcion

- Destilación al vacio

- Destilación por arrastre de vapor

- Destilación azeotropicas

- Destilación extractiva

Flasheo: a causa de la existencia de algo tan volátil como el amoniaco respecto a los demás compuestos, se propone el Flasheo como primera etapa en el proceso lo que permitiría una gran separación de amoniaco; se podría hacer un nuevo flash luego a una presión baja y así eliminar la mayor cantidad posible de amoniaco de la solución.

Pros: es una operación sencilla que ofrece cualitativamente gran separación, equipo sencillo, operación continua poco mantenimiento

Contras: se requieren datos de equilibrio multicomponente de un sistema muy poco ideal, podrían presentarse azeotropos y además los datos de este sistema líquido vapor no están disponibles, tendría que usarse el método unifac para dicha predicción, puede generarse un producto contaminado de los materiales más pesados

A pesar de esto, esta operación debe hacerse en primer lugar ya que si no se retira este componente volátil, se requerirán mas columnas de destilación de mayor diámetro y la capacidad corrosiva del sistema se mantendrá por mayor tiempo a lo largo de las operaciones

De la etapa de Flasheo sale un gas contaminado en términos prácticos de agua, etanol y un poco de la amina, por tanto debe evaluarse el destino de esta corriente; la cual podría condensarse y llevarse a flash o absorberse

Si esta corriente residual rica en NH3 se lleva a flash se seguirá teniendo un gas más puro y un liquido más pobre, pero el grado de separación que se logre puede ser muy poco respecto al equipo utilizado, esta separación depende directamente de la pureza que se requiera del producto y de los datos termodinámicos que se necesitan, por tanto se descarta que una nueva operación flash se requiera, pero debe tenerse en cuenta que se generara un producto contaminado con etanol y amina, deben evaluarse formas de eliminarlas sin alterar las características del sistema, esto se podría hacer mediante una oxidación parcial de los gases, produciendo agua, nitrógeno y dióxido de carbono que fácilmente se pueden retirar de la mescla final y no la contaminan ni interfieren en sus características

Absorción: se podría utilizar la absorción para absorber el etanol y la amina (mas pesados) de la fase gaseosa con agua o enriquecer la solución, o desorver el amoniaco presente en esta solución (mas liviano). Lo ideal sería tener un proceso donde se absorbiera el etanol agua y dietanolamina y se desorviera el amoniaco, pero este proceso, en el cual podría sacrificarse algo de amoniaco para que se absorbiera todas las impurezas, puede ser demasiado costoso y depende de las características del vapor producido en el flash

Pros: generaría mayor pureza en el amoniaco vapor

Contras: es complicado, requiere datos complejos, su diseño es complejo y podría no generar los resultados que esperamos (impurificar el producto)

Siguiendo con la corriente liquida, podemos desorverla de amoniaco, pero la cantidad de amoniaco depende de os datos de equilibrio y por ahora la vamos a considerar pura, que solo contiene agua etanol y amina

De aquí se podría utilizar extracción con solvente, destilación o cristalización para separar la amina de la mescla

Extracción con solvente: analizando el sistema se ve que es una sustancia que podría presentar una gran miscibilidad con el agua y el etanol, es muy polar por tanto estará muy asociada a la fase acuosa; se la podría extraer de la mescla agua etanol, etanol o solo agua pero requiere datos de coeficiente de actividad muy difíciles de encontrar que se deben analizar con el método unifac

Pros: el diseño mecánico no es muy complejo

Contras: requiere datos de equilibrio muy exactos; esta supeditado a encontrar por ensayo y error el solvente ideal, implica impurificar mas el sistema por lo que después de la extracción se deberá destilar la mescla de amina solvente que resulte, el solvente tendrá que volverse a purificar para extraerle el agua o etanol que pueda captar.

Por esto, se dejara la extracción liquida como última opción

Destilación: la destilación de esta mescla implicara dos columnas de destilación, puede permitir llegar a altas purezas

pros: el diseño esta bien definido, o sea el diseño mecánico es difícil pero está muy bien documentado hasta ahora, la dietanolamina es muy poco volátil, por tanto permitiría una destilación de esta en una primera etapa de forma muy sencilla

Contras: se requieren datos de equilibrio liquido vapor de unifac en coeficientes de actividad, la destilación es una operación energéticamente poco eficiente energéticamente, dependiendo del equilibrio se podrían requerir columnas muy grandes, y el tratamiento de una destilación multicomponente es mucho mas complejo

Una determinación que debe hacerse es que, para propósitos de facilidad, debería extraerse primero la amina, ya que está en una proporción molar mayor que los demás, genera basicidad en la solución lo que aumenta al poder corrosivo y, si se extrae totalmente, se puede suponer que los domos salen solamente agua y etanol, este equilibrio es perfectamente conocido y fácil de trabajar. No se extrajo la amina antes de extraer el amoniaco porque el amoniaco presenta dificultades técnicas en los equipos mucho mayor que la amina

Cristalización: la cristalización implicaría enfriar o evaporar o cambiar el solvente, de estas tres se podría combinar la evaporación y el enfriamiento, pero la elección depende de los datos de solubilidad vs temperatura

pros: nos permitiría obtener un producto amina totalmente puro a partir de la solución, el diseño del cristalizador no es muy difícil cualitativamente y permitiría eliminar una corriente muy rica en agua y etanol para destilarse, un equilibrio mas amigable y conocido si se puede cristalizar una gran cantidad de amina

Contras: requiere datos de transferencia de masa, equilibrio y otros datos termodinámicos que no se han medido aun, por lo que deben ser predichos y se puede incurrir n un error alto

Destilación al vacio: esta destilación implica generar un vacio, para bajar las temperaturas en las diferentes etapas de la destilación; es una operación relativamente moderna

Pros: para productos con volatilidades cercanas puede permitir una mejor separación, puede destruir azeotropos y es gentil con los productos sensibles al calor, en este caso nuestra dietanolamina tiene un punto flash de 138°C (desprende vapor suficiente para quemarse) y una de auto ignición de 365°C (la llama es totalmente estable)

Contras: es costoso generar vacio, y los datos termodinámicos pueden ser difíciles de conseguir, su diseño es medianamente difícil

Destilación por arrastre de vapor: implica mesclas de compuestos insolubles en agua a los que se les pasa vapor caliente; este vapor ayuda a que la sustancia se vaporice a menores temperaturas, ya que al ser inmiscibles en agua, el vapor de agua ocupa una presión ficticia en el sistema, disminuyendo así la presión total que actúa sobre la mescla insoluble, lo que genera que a menores presiones la temperatura de ebullición sea menor. Este es un muy buen método pero nuestro sistema tiene una gran solubilidad con el agua, por tanto es inútil en este caso

Destilación azeotropicas: es un muy buen método para separar ciertas mezclas, implica la adición de un tercer componente que genera un azeotropo con uno de los componentes, este azeotropo es de un punto de ebullición distinto a los otros componentes, con ello se pueden separar.

Pros: es una técnica rápida, no requiere diseños ni especificaciones especiales en la columna

Contras: es difícil encontrar el componente azeotropico, tiene un equilibrio muy difícil de predecir y después la separación dl azeotropo y recuperación del solvente generara costos y podría ser mucho mas difícil, por tanto no se recomienda

Destilación extractiva: es similar a la destilación azeotropica, pero implica la adición de un tercero que cambie la química del sistema, sin generar azeotropo pero que aumente la volatilidad relativa de la mescla

Pros: puede mejorar los procesos de separación y destruir sustancias azeotropico, no requiere diseños especiales en la columna aparte de los equilibrios químicos

Contras: requiere separación posterior del solvente, requiere una búsqueda de un solvente idóneo, pude degenerar en un azeotropo, la separación posterior incrementa costos

ponderando las opciones anteriores, se va a hacer especial énfasis en la cristalización de la amina con posterior destilación del agua etanol y en la doble destilación que en la extracción con solventes, proponiendo en primer término el proceso que implica cristalización y luego el de doble destilación, también se planteó la posibilidad de implementar los dos procesos al tiempo, podría cristalizarse una parte de la dietanolamina y otra llevarse a destilación, disminuyendo notoriamente el calor requerido y el tamaño de nuestros equipos, pero primero debe tenerse en cuenta los equilibras de solubilidad y al conocerlos, determinar que condiciones de frio se requerirían para cristalizar esta amina y si la cristalización es mas eficiente que la destilación; en cualquier caso, en las aguas madre quedara algo de dietanolamina y esta debe eliminarse para poderse vender el etanol y descartarse el agua. En la destilación se propenderá, por seguridad industrial, trabajar a una presión menor que la atmosférica y con ello disminuir riesgos de manejo, ponderando

siempre los costos de generar este vacío en la primera destilación la que implica separar la amina, esto también permitiría disminuir el calentamiento y requeriría menos platos

Como anotación preliminar, se descarta por ahora el uso de otros compuestos químicos durante el proceso, podría tratarse de adicionar acido clorhídrico a la mescla para reducir su basicidad y con ello su poder corrosivo, pero esto alteraría totalmente muchas de las propiedades de la mescla, haciéndola aun mas difícil de predecir y implicaría otra separación adicional, ya que ningún producto se puede vender como cloruro y el agua no se puede desechar con altas concentraciones de sal o acido

Como resumen el proceso se resume muy cualitativamente como

Flasheo- cristalización- destilación

Flasheo- destilación amina- destilación etanol

Dependiendo de los equilibrios y balances de materia se va a proponer una segunda etapa de Flasheo a menor presión y desorcion del amoniaco de la solución resultante de los Flasheo para recuperar el etanol y el agua

Como no se tienen los datos de equilibrio cuaternario agua etanol amoniaco amina ni ternarios agua etanol amina, es claro que debe recurrirse al método unifac, porque es posible que no hayan tampoco datos de interacción entre la amina y los demás integrantes; esto se espera hacerse usando aspen properties