tesis sep de nitrogeno

República Bolivariana de Venezuela

Universidad del Zulia

Facultad de Ingeniería

División de Postgrado

Programa de Termociencias Computacionales

“SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SEPARACIÓN DE NITRÓGENODEL AIRE MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE MEMBRANAS”

Trabajo de Grado presentado ante laIlustre Universidad del Zulia

para optar al Grado Académico de

MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA MECÁNICA

Autor: GERARDO ESTRADA RAMÍREZ.Tutor: Prof. JORGE ALAÑA

Maracaibo, Noviembre de 2004

Esquema

1. Introducción

2. Descripción del Proceso

3. Modelo de Simulación

4. Validación del Modelo para el caso diseño

5. Validación del Modelo para el caso operación

7. Conclusiones8. Recomendaciones

6. Optimización del Proceso

1. Introducción

Tecnología de separación a través de membranas

Comprende una amplia variedad de aplicaciones y ventajas sobre procesos convencionales de separación.

La separación de nitrógeno del aire representa el 60% del negocio de separación de gases a nivel mundial.

Utilizado mayormente en operaciones petroleras.

Objetivos propuestos:

Desarrollar un modelo de simulación para resolver las ecuaciones gobernantes del proceso de separación de gases mediante la utilización de membranas.

Validar el modelo de simulación para el caso diseño.

Validar las bondades predictivas del modelo de simulación.

Optimar las condiciones de operación del proceso real.

1. Introducción


Fases Principales del ProcesoSeparación de Nitrógeno del Aire a través de membranas

Compresión Filtración Separación Compresión

Permeado

Nitrógeno

Sistema Modular de Separación


Venteo

Aire

Separación de Nitrógeno del Aire a través de membranas

Membrana Flujo Permeado

Poro

Superficie Membrana

Mezcla Aire

Flujo Retenido

Rechazado Permeado


Propiedades de Operación del Módulo


Productividad

Recuperación

Es la cantidad de sustancia producida por unidad de área y por unidad de tiempo

Es la fracción de la sustancia recuperada como producto


Principales Consideraciones del Modelo

La deformación de la fibra por efectos de la presión es despreciable

La permeabilidad de la membrana es independiente de la concentración y presión

El cambio de presión del flujo permeado en el lado externo a la fibra es despreciable

El flujo de gas en el lado interno de la fibra, sigue la forma diferencial de la ecuación de Hagen Poiseuille para flujo laminar

El proceso es isotérmico

La separación se efectuará en una mezcla binaria de nitrógeno y oxígeno


Ecuaciones Gobernantes del Proceso

Diferencial de Presión

UPdN

TR

dZ

dP

i ...

...1284

Diferencial de Tasa de Flujo

YpXPpYPXJdN

dZ

dUo

11... 1

Diferencial de Fracción Molar de Oxígeno Residual

dZ

dUXpYPXJdN

UdZ

dXo 1...

1

(1)

(2)

(3)


Ecuaciones Gobernantes del Proceso

Fracción Molar de Oxígeno Permeado

o

oo

UU

XUUXY

(4)

Residuo

Permeado

Alimentación

Z=0 Z=L

0

111Y

YpXP

pYPX

Y

Y

(5)


Sección 1 Sección 2 Sección i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sección

Final

Z=0 Z=LZ1 Z2 Zi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

P0 P1 P2 Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PL

U0 U1 U2 Ui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UL

X0 X1 X2 Xi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XL

Y0 Y1 Y2 Yi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . YL

Implementación Computacional

1er. Criterio de Convergencia: XL ≈ XF = 0.205

2do. Criterio de Convergencia: PL ≈ PF = P alimentación


Productividad del Nitrógeno [Nm3/(m2.hr)]

pA

TRXUNdoductivida

P

aN

.

...2_Pr )(00 2

Productividad del Oxígeno [Nm3/(m2.hr)]

pA

TRYVOdoductivida

P

aLP

.

...2_Pr

Implementación Computacional (Postprocesamiento)


Recuperación del Nitrógeno [%]

Recuperación del Oxígeno [%]

100*.

.2_Re

)(

0)(0

2

2

LNL

N

UX

UXNcuperación

100*.

.2_Re

LL

PL

UX

VYOcuperación

Implementación Computacional (Postprocesamiento)


Diagrama de Flujo del Modelo de Simulación

P0 = P0+dpU0 = U0-du

X0 = X0Sección = 2

Entrada de datos variablesrequeridas por el programa

# Secciones de la fibra, X0, P0, U0, du, dp

Entrada de datos constantes(Valores.m)

R, T, μ, N, di, do, J 1, J 2, ALPHA (J 1/ J 2), p, LF

X0-dX < XL < X0+dX ?

I ntegración de Z=0 a Z=L[Ecuaciones (1), (2) y (3)]

dP , dU , dXdZ dZ dZ

Yinicial

Cálculo de ‘Y’[Ecuación (4)]

NO

SI

NO

SI

FIN

Post-procesamiento

INICIO

Sección = Sección Final?

SI

NO

Sección = Sección + 1P0 = P_ anteriorU0 = U_ anteriorX0 = X_ anterior

P0 = P0U0 = U0+du

X0 = X0Sección = 2

Cálculo de‘Y’ inicial

[Ecuación (5)]

PA-dP < PL < PA+dP ?


X0 = X0Sección = 2








Yinicial


NO

SI

NO

SI

FIN

Post-procesamiento

INICIO


SI

NO


P0 = P0U0 = U0+du

X0 = X0Sección = 2


[Ecuación (5)]



X0 = X0Sección = 2








Yinicial


NO

SI

NO

SI

FIN

Post-procesamiento

INICIO


SI

NO


P0 = P0U0 = U0+du

X0 = X0Sección = 2


[Ecuación (5)]



X0 = X0Sección = 2








Yinicial


NO

SI

NO

SI

FIN

Post-procesamiento

INICIO


SI

NO


P0 = P0U0 = U0+du

X0 = X0Sección = 2


[Ecuación (5)]


4. Validación del Modelo - Caso Diseño

Casos Estudiados(un módulo de membranas)

Cálculo de Productividad y Recuperación, del Nitrógeno y del Oxígeno, a 690 kPa y 23ºC.

Efecto de la presión de alimentación, a 345, 690 y 1034 kPa, y 23ºC, en el cálculo de Productividad y Recuperación, del Nitrógeno y del Oxígeno.

Efecto de la temperatura de operación, a 23 y 45ºC, y 690 kPa, en el cálculo de Productividad y Recuperación, del Nitrógeno y del Oxígeno.

1)

2)

3)



R [J / (mol.ºK)]

T [ºK]

μ [Kg/(m.s)]

N LF [m]

di [μm]

do [μm]

J 1 [mol/(m².s.Pa)]


p [Pa]

8,3145 296 1,8156E-5 368 0,25 80 160 3,685E-9 6,03E-10 101350

Datos empleados

1er. Criterio 2do. Criterio

XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 690 kPa

Criterios de Convergencia

Condiciones ajustadas en la simulación

1)




% N2 Secciones X0 [Fracción O2]

PL

[Pa]P0 [Pa]

U0 [mol/s]

YL

[Fracción O2]# Modulos

89 100 0,11 690.000 686.640 6,5E-5 0,4409 1

90 100 0,10 690.000 687.040 5,6E-5 0,4306 1

91 100 0,09 690.000 687.400 4,8E-5 0,4212 1

92 100 0,08 690.000 687.670 4,2E-5 0,4084 1

93 100 0,07 690.000 687.940 3,6E-5 0,3985 1

94 100 0,06 690.000 688.170 3,1E-5 0,3867 1

95 100 0,05 690.000 688.370 2,65E-5 0,3743 1

96 100 0,04 690.000 688.560 2,24E-5 0,3609 1

97 100 0,03 690.000 688.740 1,85E-5 0,3471 1

98 100 0,02 690.000 688.910 1,49E-5 0,3270 1

99 100 0,01 690.000 689.100 1,09E-5 0,303 1

Datos de operación derivados de la simulación

1)


Resultados


Productividad Nitrógeno vs. % molar N2

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 990

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Concentración N2 - Producto, % molar

Pro

duct

ivid

ad N

2,

Nm

3/(

m2.h

r)

Productividad N2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar N2 Producto [%]PRESIÓN = 690 KPa ; TEMPERATURA = 23 ºC

Feng y col.Simulación

1)

Desviación10,3%


Resultados


Productividad Oxígeno vs. % molar O2

30 35 40 450.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0.022

0.024

Concentración O2 - Permeado, % molar

Pro

ductivid

ad O

2,

Nm

3/(

m2.h

r)

Productividad O2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar O2 Permeado [%]PRESIÓN = 690 KPa ; TEMPERATURA = 23 ºC


1)

Desviación6,4%


Resultados


Recuperación Nitrógeno vs. % molar N2

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 9935

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85


Rec

upe

ració

n N

2,

% m

ola

r

Recuperación N2 [%] vs. Concentración molar N2 Producto [%]PRESIÓN = 690 KPa ; TEMPERATURA = 23 ºC


1)

Desviación4,9%


Resultados


Recuperación Oxígeno vs. % molar O2

30 35 40 4560

65

70

75

80

85

90

95

100


Rec

up

era

ció

n O

2,

% m

ola

r

Recuperación O2 [%] vs. Concentración molar O2 Permeado [%]PRESIÓN = 690 KPa ; TEMPERATURA = 23 ºC


1)

Desviación1,1%


Efecto de la presión de alimentación, en el cálculo de Productividad y Recuperación, del Nitrógeno y del Oxígeno, a 345, 690 y 1034 kPa, y 23ºC.


R [J / (mol.ºK)]

T [ºK]

μ [Kg/(m.s)]

N LF [m]

di [μm]

do [μm]



p [Pa]

8,3145 296 1,8156E-5 368 0,25 80 160 3,685E-9 6,03E-10 101350

Datos empleados, para 345, 690 y 1034 kPa.[El valor de μ, para 1034 kPa, es 1,8257E-5 kg/(m.s)]

Presión (kPa)


345 XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 345 kPa690 XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 690 kPa

1.034 XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 1.034 kPa


2)




% N2X0

[Fracción O2]P0 [Pa]

U0 [mol/s]

YL


U0 [mol/s]

YL


U0 [mol/s]

YL

[Fracción O2]

89 0,11 342.780 1,75E-5 0,3696 686.640 6,5E-5 0,4409 1.029.800 1,2E-4 0,4677

90 0,10 343.020 1,48E-5 0,3648 687.040 5,6E-5 0,4306 1.030.400 1,02E-4 0,4583

91 0,09 343.200 1,28E-5 0,3572 687.400 4,8E-5 0,4212 1.030.800 8,7E-5 0,449

92 0,08 343.350 1,11E-5 0,3494 687.670 4,2E-5 0,4084 1.031.100 7,6E-5 0,4359

93 0,07 343.490 9,6E-6 0,3418 687.940 3,6E-5 0,3985 1.031.500 6,52E-5 0,4251

94 0,06 343.610 8,35E-6 0,3319 688.170 3,1E-5 0,3867 1.031.700 5,65E-5 0,4111

95 0,05 343.730 7,15E-6 0,3239 688.370 2,65E-5 0,3743 1.032.000 4,8E-5 0,3989

96 0,04 343.820 6,1E-6 0,3133 688.560 2,24E-5 0,3609 1.032.200 4,07E-5 0,3834

97 0,03 343.910 5,1E-6 0,3021 688.740 1,85E-5 0,3471 1.032.400 3,4E-5 0,3642

98 0,02 344.020 4,1E-6 0,2906 688.910 1,49E-5 0,3270 1.032.600 2,72E-5 0,3432

99 0,01 344.130 3,05E-6 0,2724 689.100 1,09E-5 0,303 1.032.900 1,98E-5 0,3168

690 kPa345 kPa 1034 kPa


2)



Resultados

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 9920

30

40

50

60

70

80

90

Recuperación N2 [%] vs. Concentración molar N2 Producto [%](PRESIONES = 345, 690, 1034 [KPa] ; TEMPERATURA = 23 ºC)

Rec

uper

ació

n N

2, %

mol

ar


Feng y col. (345 KPa) Simulación (345 KPa) Feng y col. (690 KPa) Simulación (690 KPa) Feng y col. (1034 KPa)Simulación (1034 KPa)


2)

Desviación3,8%

Desviación4,9%

Desviación5,1%



Resultados

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 990

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Productividad N2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar N2 Producto [%](PRESIONES = 345, 690, 1034 [KPa] ; TEMPERATURA = 23 ºC)


Pro

duct

ivid

ad N

2, N

m3/

(m2.

hr)



2)

Desviación13,4%

Desviación10,3%

Desviación16,8%



Resultados

25 30 35 40 45 5060

65

70

75

80

85

90

95

100

Recuperación O2 [%] vs. Concentración molar O2 Permeado [%](PRESIONES = 345, 690, 1034 [KPa] ; TEMPERATURA = 23 ºC)


Recup

era

ció

n O

2,

% m

ola

r



2)

Desviación3,6%

Desviación1,1%

Desviación2,8%



Resultados

25 30 35 40 45 500

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04


Pro

duct

ivid

ad O

2, N

m3/

(m2.

hr)

Productividad O2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar O2 Permeado [%](PRESIONES = 345, 690, 1034 [KPa] ; TEMPERATURA = 23 ºC)



2)

Desviación5,3%

Desviación6,4%

Desviación12,3%



Efecto de la temperatura de operación, en el cálculo de Productividad y Recuperación, del Nitrógeno y del Oxígeno, a 23 y 45ºC, y 690 kPa.

R [J / (mol.ºK)]

T [ºK]

μ [Kg/(m.s)]

N LF [m]

di [μm]

do [μm]



p [Pa]

8,3145 318 1,977E-5 368 0,25 80 160 5,8625E-9 1,1725E-9 101350

Datos empleados, para 45ºC

R [J / (mol.ºK)]

T [ºK]

μ [Kg/(m.s)]

N LF [m]

di [μm]

do [μm]



p [Pa]

8,3145 296 1,8156E-5 368 0,25 80 160 3,685E-9 6,03E-10 101350

Datos empleados, para 23ºC

3)




Temperatura (ºC)


23 XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 690 kPa45 XL ≈ XF =0,205 PL ≈ PF = 690 kPa


% N2X0


U0 [mol/s]

YL


U0 [mol/s]

YL

[Fracción O2]

89 0,11 686.640 6,5E-5 0,4409 683.700 1E-4 0,4066

90 0,10 687.040 5,6E-5 0,4306 684.400 8,6E-5 0,3969

91 0,09 687.400 4,8E-5 0,4212 685.140 7,4E-5 0,3873

92 0,08 687.670 4,2E-5 0,4084 685.650 6,4E-5 0,3767

93 0,07 687.940 3,6E-5 0,3985 686.140 5,5E-5 0,3665

94 0,06 688.170 3,1E-5 0,3867 686.560 4,7E-5 0,3563

95 0,05 688.370 2,65E-5 0,3743 686.940 4,02E-5 0,3437

96 0,04 688.560 2,24E-5 0,3609 687.240 3,38E-5 0,3310

97 0,03 688.740 1,85E-5 0,3471 687.600 2,77E-5 0,3180

98 0,02 688.910 1,49E-5 0,3270 687.900 2,2E-5 0,2998

99 0,01 689.100 1,09E-5 0,303 688.260 1,57E-5 0,2785

23°C 45°C


3)


Resultados


89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 9930

40

50

60

70

80

90


Recupera

ció

n N

2,

% m

ola

r

Recuperación N2 [%] vs. Concentración molar N2 Producto [%](TEMPERATURAS = 23, 45 [ºC] ; PRESIÓN = 690 KPa)

Feng y col. (23 ºC)Simulación (23 ºC) Feng y col. (45 ºC)Simulación (45 ºC)


3)

Desviación4,9%

Desviación1,2%


Resultados


89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 990

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18


Pro

duc

tivid

ad

N2,

Nm

3/(

m2.

hr)

Productividad N2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar N2 Producto [%](TEMPERATURAS = 23, 45 [ºC] ; PRESIÓN = 690 KPa)



3)

Desviación10,7%

Desviación10,3%


Resultados


26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 4660

65

70

75

80

85

90

95

100


Rec

up

era

ció

n O

2,

% m

ola

r

Recuperación O2 [%] vs. Concentración molar O2 Permeado [%](TEMPERATURAS = 23, 45 [ºC] ; PRESIÓN = 690 KPa)



3)

Desviación1,1%

Desviación2,2%


Resultados


26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 460.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04


Pro

du

ctivid

ad O

2,

Nm

3/(

m2.h

r)

Productividad O2 [Nm3/(m2.hr)] vs. Concentración molar O2 Permeado [%](TEMPERATURAS = 23, 45 [ºC] ; PRESIÓN = 690 KPa)



3)

Desviación8,2%

Desviación6,4%

5. Validación del Modelo - Caso Operación

Sistema Modular Comercial(15 Módulos de membranas)

Cálculo de Productividad y Recuperación del Nitrógeno


Registro de operación del sistema

% N2 Salida

Producto

% O2 Salida

Residuo

Presión Alimentación

(Pa)

Presión Salida (Pa)

Diferencial Presión

(Pa)

Temperatura Alimentación

(ºC)

Temperatura Salida (ºC)

Flujo de Entrada (mol/ s)

Flujo de Salida (mol/ s)

92,5 7,5 739.809,91 626.046,04 113.763,9 47,44 47,5 35,859 16,575

93 7 761.873,21 653.625,16 108.592,8 47,83 47,44 35,859 16,08

93,5 6,5 790.141,81 686.375,37 103.421,7 46,16 47,11 35,859 15,62

94 6 814.963,02 716.367,66 97.905,88 46,44 46,89 35,859 14,94

94,5 5,5 855.297,48 763.941,64 91.631,63 46,72 45,33 35,859 14,463

95 5 888.875,06 803.241,89 86.184,75 46,05 45,05 35,859 13,83

95,5 4,5 921.142,63 838.405,27 81.841,04 46,22 44,94 35,859 13,17

96 4 951.617,56 872.534,43 77.566,3 46,22 44,5 35,859 12,491

96,5 3,5 988.642,53 915.971,55 73.084,67 46,11 44 35,859 11,682

97 3 1.038.353,89 970.095,57 67.775,70 48,0 43,05 35,859 10,7974

97,5 2,5 1.089.651,06 1.027.460,14 62.742,50 46,61 41,72 35,859 9,781

98 2 1.138.397,15 1.079.170,99 58.605,63 46,44 40,17 35,859 8,965

98,5 1,5 1.237.061,46 1.186.384,83 51.021,37 43,38 38,9 35,859 6,9924

Datos de operación del sistema modular en funcionamiento


Datos Físicos y Técnicos del Módulo de Membranaspara la Simulación


Recopilación de los datos de un módulo de membranas

Extracción del módulo de membranas de su cubierta exterior



Medición longitudinal del módulo de membranas

Longitud (LF) = 1,54 m



Extracción de las membranas del módulo



Determinación del Número de Fibras (N)

Peso Total de las Fibras = 15,935 kg

Peso de una Fibra = 0,010164 g

N = . Peso Total . Peso de 1 Fibra

N = 1.567.789 ≈ 1.600.000 Fibras



Determinación del diámetro externo (do) e interno (di), de una membrana

Microscopio Electrónico

Vista Transversal de una Membrana

do = 175 μmespesor = 25 μm

di = 125 μm


R [J / (mol.ºK)]

To [ºK]

N LF [m]

di [μm]

do [μm]

J 1 [mol/ (m².s.Pa)]

J 2 [mol/ (m².s.Pa)]

p [Pa]

# Módulos

8,3145 273 1.600.000 1,54 125 175 3,685E-9 1,0529E-9 101350 15


Datos empleados

% N2 % O2Viscosidad

[μc.μr] [Kg/ (m.s)]

92,5 7,5 1,9871E-5

93 7 1,9912E-5

93,5 6,5 1,9165E-5

94 6 1,9569E-5

94,5 5,5 1,973E-5

95 5 1,9105E-5

95,5 4,5 1,9367E-5

96 4 1,9367E-5

96,5 3,5 1,9115E-5

97 3 1,9932E-5

97,5 2,5 1,9649E-5

98 2 1,9569E-5

98,5 1,5 1,9085E-5

Viscosidad para cada condición de presión y temperatura



% N2

Salida1er. Criterio 2do. Criterio

92,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 739.809 Pa

93 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 761.873 Pa

93,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 790.141 Pa

94 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 814.963 Pa

94,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 855.297 Pa

95 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 888.875 Pa

95,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 921.142 Pa

96 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 951.617 Pa

96,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 988.642 Pa

97 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 1038353 Pa

97,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 1.089.651 Pa

98 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 1.138.397 Pa

98,5 XL ≈ XF = 0,205 PL ≈ PF = 1.237.061 Pa

Criterios de Convergencia % N2

Salida ProductoX0


U0 [mol/s]

92,5 0,075 721.000 1.03

93 0,07 743.500 9,99E-1

93,5 0,065 773.800 9,78E-1

94 0,06 798.700 9,48E-1

94,5 0,055 839.500 9,29E-1

95 0,05 873.800 8,98E-1

95,5 0,045 907.000 8,58E-1

96 0,04 938.000 7,9E-1

96,5 0,035 976.000 7,6E-1

97 0,03 1.026.000 7,03E-1

97,5 0,025 1.077.800 6,7E-1

98 0,02 1.126.900 6,14E-1

98,5 0,015 1.227.000 5,8E-1



Resultados

92 93 94 95 96 97 98 9920

25

30

35

40

45

50

55

60


Rec

uper

ació

n N

2, %

Datos de operaciónSimulación


Desviación2,8%


Resultados


92 93 94 95 96 97 98 990.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065


Pro

duct

ivid

ad N

2, N

m3/

(m2.

h)

Datos de operaciónSimulación

Desviación5,5%


Membrana Flujo Permeado

Poro

Superficie Membrana

Mezcla Aire

Flujo Retenido

Rechazado Permeado

Presurización

Presurización Negativa (Succión)

Las condiciones operativas deben optimizarse, en función de incrementar el efecto de separación de la membrana.

Disminuyendo la presión por debajo del valor ambiental en la salida del permeado, se adicionan esfuerzos para que las moléculas de oxígeno traspasen las paredes.

1) p = 50,5 kPa2) p = 6,895 kPa


Presurización

Succión

1) p = 50,5 kPa2) p = 6,895 kPa

Venteo

Aire



% N2

SalidaX0

[Fracción O2]PL

[Pa]P0 [Pa]

U0 [mol/s]

92,5 0,075 739.809 717.500 1,3

93 0,07 761.873 739.800 1,25

93,5 0,065 790.141 770.500 1,21

94 0,06 814.963 796.500 1,14

94,5 0,055 855.297 837.000 1,12

95 0,05 888.875 872.000 1,075

95,5 0,045 921.142 905.000 1,027

96 0,04 951.617 936.000 9,6E-1

96,5 0,035 988.642 974.500 9,05E-1

97 0,03 1038353 1.024.500 8,5E-1

97,5 0,025 1.089.651 1.076.000 7,9E-1

98 0,02 1.138.397 1.126.300 7,22E-1

98,5 0,015 1.237.061 1.226.400 6,65E-1

Datos de operación, derivados de la

simulación, para p = 50,5 kPa % N2

SalidaX0

[Fracción O2]PL

[Pa]P0 [Pa]

U0 [mol/s]

92,5 0,075 739.809 713.000 1,60

93 0,07 761.873 736.000 1,53

93,5 0,065 790.141 767.500 1,46

94 0,06 814.963 792.900 1,38

94,5 0,055 855.297 835.000 1,32

95 0,05 888.875 870.000 1,26

95,5 0,045 921.142 903.000 1,2

96 0,04 951.617 934.000 1,12

96,5 0,035 988.642 972.900 1,05

97 0,03 1038353 1.022.900 9,96E-1

97,5 0,025 1.089.651 1.075.700 9,17E-1

98 0,02 1.138.397 1.125.100 8,2E-1

98,5 0,015 1.237.061 1.225.700 7,5E-1

Datos de operación, derivados de la simulación,

para p = 6,895 kPa


Resultados

92 93 94 95 96 97 98 9925

30

35

40

45

50

55

60

65

%Molar N2, Producto

Rec

uper

ació

n N

2, %

101,35 kPa (Presión Ambiente) en salida del oxígeno50,5 kPa en salida del oxígeno 6,895 kPa (-) en salida del oxígeno


Presión Ambiente101,35 kPa

p = 50,5 kPa

p = 6,895 kPa


Resultados


92 93 94 95 96 97 98 990

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

%Molar N2, Producto

Pro

duct

ivid

ad N

2, N

m3/

(m2.

h)

101,35 kPa (Presión Ambiente) en salida del oxígeno50,5 kPa en salida del oxígeno 6,895 kPa en salida del oxígeno

p = 101,35 kPap = 50,5 kPa

p = 6,895 kPa

7. Conclusiones

La implementación del modelo de simulación, permite predecir el rendimiento de un módulo con membranas para separación de gases del aire

Los resultados obtenidos de la simulación fueron consistentes con la teoría y los datos de operación, demostrando su aplicabilidad sobre el proceso

La productividad es proporcional a la temperatura, mientras que la recuperación disminuye con respecto a un aumento en la temperatura

La productividad y recuperación son proporcionales a la presión de operación.

7. Conclusiones

La recuperación del nitrógeno no aumenta significativamente cuando la presión de alimentación supera los 690 kPa

Incrementando el diferencial de presión dentro de la membrana, aumenta la tasa de flujo y disminuye la pureza del nitrógeno. No obstante, la pureza de nitrógeno aumenta proporcionalmente con la presión de alimentación

La convergencia de la simulación, con los datos de operación del proceso, depende fundamentalmente de determinar de forma efectiva los valores de U0 y P0. Adicionalmente, es importante conocer la información técnica y física del módulo de membrana a simular

7. Conclusiones

Los parámetros que afectan significativamente el desenvolvimiento de la simulación, son la tasa de penetración del oxígeno y del nitrógeno

El diferencial de presión en el módulo, es la variable crítica para controlar la pureza deseada del producto

El efecto de separación más óptimo, se obtiene presurizando la línea de alimentación, en conjunto con una succión desde la línea de salida del permeado

8. Recomendaciones

Extender la implementación del modelo de simulación, de manera de considerar la viscosidad del aire y la tasa de penetración, como variables de la temperatura, presión y composición

Considerar en los cálculos los efectos de la presión en la deformación de las fibras huecas, así como también en el flujo permeado por el lado externo de la fibra

Considerar el caso de multicomponentes, donde por lo menos uno debe ser no permeable

Extender el estudio para la consideración de flujo turbulento en el lado interno de las fibras

8. Recomendaciones

Adaptar un sistema de succión en la línea de salida del permeado, de manera de mejorar el efecto de separación en la membrana

Extender el estudio a otros sistemas modulares del proceso, de manera de crear un patrón de funcionamiento promedio, y así evaluar las posibles desviaciones operacionales entre uno y otro sistema

Realizar mantenimiento frecuente a los transmisores y dispositivos del PLC, de manera de garantizar una operatividad confiable de las variables del proceso

tesis sep de nitrogeno

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