Comision Nacional del Agua NORMAS.

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Los efluentes de los depuradores son mezclados, enfriados y estrangulados, para finalmente entrar a una torre de destilación para separar el óxido de etileno y el agua.

Después de la torre de destilación, la corriente de la cabeza pasa a un tanque donde se almacena el condensado y se evaporan los gases ligeros. Luego se bombea el reflujo al destilador para tener una mejor separación y obtener el producto deseado (Figura 1). [3]

- Metodología

Se comenzó por calcular la potencia requerida y carga desarrollada por la bomba P-701 A/B mediante un código en Matlab[4] debido a que la tubería se parte en dos secciones. Esto mediante un sistema de ecuaciones conformado por los balances correspondientes de Bernoulli (Ec.1) de tanque a tanque, las ecuaciones para [pic 12](Ec.2) y una ecuación propuesta para carga.

[pic 13] (Ec.1)

[pic 14] (Ec.2)

[pic 15] (Ec.3)

Para evitar la cavitación, es preciso que la presión a la entrada de la bomba exceda a la presión de vapor en un cierto valor, llamado carga neta de succión positiva (NPSH, net positive suction head), la cual se calcula como muestra la Ec.4.

[pic 16] (Ec.4)

Para calcular la altura a la cual se debe colocar la bomba evitando cavitación, se obtuvo el NPSH de la curva característica seleccionada a las condiciones de eficiencia y flujo volumétrico necesarios, traduciendo previamente la carga de la curva (en términos de agua) a las condiciones del proceso (Ec.5).

[pic 17] (Ec.5)

Posteriormente se calculó la potencia de los compresores adiabáticos, de acuerdo con la Ec. 6.

[pic 18] (Ec.6)

Así mismo se optó por calcular el trabajo adiabático en una etapa e isotérmico (Ec.7) para posteriormente hacer un análisis de los resultados.

[pic 19] (Ec.7)

Las caídas de presión en las tuberías del proceso, las cuales se tomaron como isotérmicas con fricción (Ec.8) donde circulaban fluidos compresibles, se calcularon para obtener la presión a la que entraba a la siguiente operación unitaria.

[pic 20] (Ec.8) [pic 22] (Ec.9)[pic 21]

Mientras que para aquellas que contenían fluidos incompresibles se hizo uso de la Ec.1.

Para la obtención la velocidad superficial en los lechos empacados, se utilizó la ecuación de Burke Plummer (Ec.10), que es una correlación empírica para la caída de presión en lechos cuando los números de Reynols son elevados (Rep >1000).

[pic 23] (Ec.10)

El número de Reynolds para una partícula en un fluido se define como: [pic 24] (Ec.11)

Mientras que para la velocidade mínima de fluidización de estos mismos lechos, se obtiene mediante la siguiente ecuación:

[pic 25] (Ec.12)

Para el diseño de los intercambiadores de calor, primero se calculó el calor transferido con la Ec.13.

[pic 26] (Ec.13)

Luego se calculó el Nusselt con la siguiente correlación

[pic 27] (Ec.14)

Para después obtener los coeficientes de transferencia de calor en el interior y exterior del tubo con las siguientes ecuaciones y posteriormente calcular el coeficiente de transferencia de calor total.

[pic 28] (Ec.15.1) ó [pic 29] (Ec.15.2)

[pic 30] (Ec.16)

Y por último se obtuvo el área superficial, para con ello obtener el diseño apropiado del intercambiador de calor.

[pic 31] (Ec.17)

Para el diseño de los medidores de orificio, primero se utilizó un balance de energía con la ecuación de Bernoulli (Ec.1) desde el orificio hasta el final de la tubería para corrientes líquidas y la Ec. 8 para corrientes gaseosas, con el fin de calcular la presión en el orificio. Después para obtener el diámetro en el orificio, se utilizó la Ec.18 donde el coeficiente de orificio, es aproximadamente 0.61, debido a que el Reynolds es mayor a 4,000. Para corrientes de fluidos compresibles se agregó el factor de expansión (Ec. 20,21).

[pic 32] (Ec.18)

[pic 33] (Ec.19)

[pic 34] (Ec.20)

[pic 35] (Ec.21)

- Resultados y discusiones

En la Tabla 1 se muestran los resultados para la bomba P-701 A/B, para la cual se seleccionó una curva característica de la cual se leyeron las rpm, el diámetro del impulsor y NPSH, todo en función de flujo con el que se contaba y la potencia calculada

Además, se construyó la curva del sistema tomando un rango flujos de 5 a 55 m3/h, de donde se obtuvo el punto de operación igualando la curva característica y la curva del sistema (Figura 2), revelando que la bomba seleccionada es adecuada, siendo el punto de operación 43.66 m3/h, mientras que el flujo con el que se trabaja es 38.61 m3/h, estando muy cerca del punto deseado.

Es importante destacar el hecho de la selección del acero inoxidable como material de las tuberías, ya que el óxido de etileno es altamente reactivo con el óxido, por lo que el uso del acero inoxidable es crítico para evitar situaciones peligrosas.

Tabla 1. Resultados de bomba centrifuga P-701 A/B[5]

Material

Potencia (kW)

NPSH (m)

Za (m)

Punto de operación:

Q(m3/h)

Punto de operación:

Eficiencia

rpm

Diámetro del impulsor (m)

Acero inoxidable

4.036