Este documento presenta el diseño de una columna de destilación para separar una mezcla equimolar de metanol, etanol, 1-propanol y 1-butanol. Se describen los cálculos para determinar el número de pisos y el reflujo/reflujo mínimo requerido. El diseño mecánico y los equipos auxiliares también se detallan, junto con consideraciones de seguridad, ubicación en planta y un estudio económico. El proyecto se planifica para completarse en 11 meses.

1. Trabajo fin de Grado
Diseño de una columna tipo Kaibel
Autor: Antonio José Gómez Muñoz
Tutor: José Antonio Caballero Suárez
Grado en Ingeniería QuímicaTiempo presentación: 17 min aprox.

2. Objeto del Proyecto
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Pureza de productos
superior al 95%
Caudal de alimento
equimolar de 100 kmol/h
Diseño de una columna
con muro divisor interno

3. Alcance
3-5% del consumo
energético
ABC
B
A
C
1
2
5
6
3
4

4. Alcance
ABC
B
A
C
BC
T
Q caldera 1
Q condensador 1
Q caldera 2
Q condensador 2
ABC B
A
C
T
Q caldera 1
Q caldera 2
Q condensador 2
Convencional
Vs
Acoplamiento térmico

5. ABC
B
A
C
1
2
4
5
3
6
Alcance
ABC
B
A
C
1
2
5
6
3
4

6. Alcance
ABC
B
A
C
1
2
5
6
3
4
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Ahorro energético
20-30%

7. Cálculos
ABC
B
A
C
1
2
5
6
3
4
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Ahorro energético
20-30%
𝑁 𝑚í𝑛 =
log(𝑆
log(𝛼𝑖𝑗
𝑆 =
𝑟𝑒𝑐
1 − 𝑟𝑒𝑐
2

8. Cálculos
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
P = 0,5308 bares
Poperación = 1,1 bares
Tburbuja = 129,11 ºC
Tc metanol = 239,4 ºC
ΔPcondensador = 0,1 bares
ΔPcolumna = 0,3 bares

9. Cálculos
Método FUG 𝑵 𝒎í𝒏 =
𝒍𝒐𝒈
𝒙 𝑳𝑲𝑫
𝒙 𝑯𝑲𝑫
𝒙 𝑳𝑲𝑩
𝒙 𝑯𝑲𝑩
𝒍𝒐𝒈(𝜶 𝑳𝑲;𝑯𝑲
𝑖
(𝛼𝑖𝑟 ∞ · 𝑧𝑖𝐹
(𝛼𝑖𝑟 ∞ − 𝜃
= 1 − 𝑞
𝑖
(𝛼𝑖𝑟 ∞ · 𝑧𝑖𝐷
(𝛼𝑖𝑟 ∞ − 𝛷
= 1 + 𝑅∞ 𝑚í𝑛
𝑁 − 𝑁_𝑚𝑖𝑛
𝑁 + 1
= 1 − 𝑒
1+54.4·𝑋 · 𝑋−1
11+117.2·𝑋 ·𝑋0.5
• Caudal, composición y estado térmico del
alimento
• Volatilidades
• Selección de componentes clave
• Reflujo/Reflujo mínimo
• Recuperación componentes clave

10. Cálculos
Método FUG 𝑵 𝒎í𝒏 =
𝒍𝒐𝒈
𝒙 𝑳𝑲𝑫
𝒙 𝑯𝑲𝑫
𝒙 𝑳𝑲𝑩
𝒙 𝑯𝑲𝑩
𝒍𝒐𝒈(𝜶 𝑳𝑲;𝑯𝑲
𝑖
(𝛼𝑖𝑟 ∞ · 𝑧𝑖𝐹
(𝛼𝑖𝑟 ∞ − 𝜃
= 1 − 𝑞
𝑖
(𝛼𝑖𝑟 ∞ · 𝑧𝑖𝐷
(𝛼𝑖𝑟 ∞ − 𝛷
= 1 + 𝑅∞ 𝑚í𝑛
𝑁 − 𝑁_𝑚𝑖𝑛
𝑁 + 1
= 1 − 𝑒
1+54.4·𝑋 · 𝑋−1
11+117.2·𝑋 ·𝑋0.5
• Caudal, composición y estado térmico del
alimento
• Volatilidades
• Selección de componentes clave
• Reflujo/Reflujo mínimo
• Recuperación componentes clave

11. Cálculos
RR Pisos Col1 Pisos Col2 Alimento Col 1 Alimento 1 Col2 Alimento 2 Col2 Producto 1 Producto 2
1,01 64 138 33 27 109 54 78
1,10 35 91 20 19 77 34 58
1,15 33 86 20 19 74 31 55
1,20 31 82 18 17 70 29 53
1,25 29 79 18 17 68 27 51
1,30 28 77 17 16 66 26 50
ABC
B
A
C
1
2
5
6
3
4

12. Cálculos
B
A
C
1
2
5
6
3
4
D

13. Cálculos

14. Cálculos

15. Cálculos

16. Cálculos

17. Cálculos
1,0E+06
1,2E+06
1,4E+06
1,6E+06
1,8E+06
1 1,1 1,2 1,3 1,4
Costetotal($/año)
Reflujo/Reflujo mínimo
Coste anual total en función del RR
RR Amortización Coste Material ($/año) Servicio Frio ($/año) Servicio Caliente ($/año) Coste total ($/año)
1,01 534744 21664 829686 1386093
1,1 376846 22095 853185 1252126
1,15 365539 24287 931826 1321652
1,2 423249 24771 951835 1399855
1,25 380053 27931 1072356 1480340
1,3 443730 28629 1101788 1574147
RR = 1,1

18. Elementos internos
ABCD
B
A
D
C
1 17
59 75
29 45
33
58
17
42
1
91

19. Elementos internos

20. Elementos internos

21. Elementos internos
Sectores
1 y 2
Sectores 4 y 5
(pisos del 18 al
73)
Sectores 4 y 5
(pisos 17, 74 y
75)
Sectores
3 y 6
Área del plato (m2) 0,684 1,360 1,360 2,044
Área activa (m2) 0,520 1,034 1,034 1,553
Área de los orificios (m2) 0,052 0,052 0,072 0,109
Número de orificios 2647 2633 3686 5538
Paso entre orificios (m) 0,011 0,018 0,015 0,017
Longitud rebosadero pared
(m)
0,894 1,099 1,099 1,013
Longitud rebosadero muro
(m)
1,523 1,598 1,598 -
Altura rebosadero (mm) 50 50 50 50
Inundación (%) 70 70 70 70
Altura bajante de salida
(mm)
40 40 40 40
Área de la bajante (m2) 0,082 0,163 0,163 0,245
Caída de presión por plato
(Pa)
711,52 722,62 658,32 740,96
1
2
3
6
4
5

22. Elementos internos
Sectores
1 y 2
Sectores 4 y 5
(pisos del 18 al
73)
Sectores 4 y 5
(pisos 17, 74 y
75)
Sectores
3 y 6
Área del plato (m2) 0,684 1,360 1,360 2,044
Área activa (m2) 0,520 1,034 1,034 1,553
Área de los orificios (m2) 0,052 0,052 0,072 0,109
Número de orificios 2647 2633 3686 5538
Paso entre orificios (m) 0,011 0,018 0,015 0,017
Longitud rebosadero pared
(m)
0,894 1,099 1,099 1,013
Longitud rebosadero muro
(m)
1,523 1,598 1,598 -
Altura rebosadero (mm) 50 50 50 50
Inundación (%) 70 70 70 70
Altura bajante de salida
(mm)
40 40 40 40
Área de la bajante (m2) 0,082 0,163 0,163 0,245
Caída de presión por plato
(Pa)
711,52 722,62 658,32 740,96
1
2
3
6
4
5

23. Diseño mecánico
Acero al
carbono A285
Código ASME
BPV
(s1-s2) a favor el viento (MPa) 82,51
(s1-s2) en contra del viento (MPa) -61,75
(s1-s3) (MPa) 11,24
(s2-s3) a favor el viento (MPa) -71,27
(s2-s3) en contra del viento (MPa) 72,98
Aislante de lana de
roca TECH Slab 2.1
< 88,94 MPa

24. Equipos auxiliares

26. Equipos auxiliares
Conducción Función di STD (m) Tamaño tubería (in)
ABCD Conduce la mezcla problema a la columna 0,0325 1 1/4
A Conduce la mezcla rica en metanol (Destilado) 0,0125 3/8
B Conduce la mezcla rica en etanol 0,0158 1/2
C Conduce la mezcla rica en 1-propanol 0,0171 1/2
D Conduce la mezcla rica en 1-butanol (Residuo) 0,0188 3/4
L1 Llevar el fluido del tanque de reflujo a la bomba 0,0266 1
L1' Llevar el fluido de la bomba a la columna 0,0266 1
Ln-1
Conducir el líquido desde la cola de la columna a
la caldera 0,0525 2
VN Transportar el vapor de la caldera a la columna 0,3254 14
V1
Conducir el vapor proveniente de la columna al
condensador 0,3175 14
L1+D
Transportar el líquido del condensador al tanque de
reflujo 0,0351 1 1/4
H(m) 53,3
NPSH (m) 0,254
W(J/kg) 522,9
Q (kg/s) 1,04
P (W) 545,2
Vtanque (m3) 0,953
Dtanque (m) 0,672
Ltanque (m) 2,688

27. Instrumentación y control

29. Seguridad y medio ambiente
IDENTIFICACIÓN DE PELIGROS
Metanol
Etanol
1-Propanol
1-Butanol
• Análisis modal de fallos y efectos (AMFE)
EVALUACIÓN DE RIESGOS
• Índice de Dow o Índice de Incendio y
Explosión (F&EI)
MEDIDAS DE PREVENCIÓN
• Sustancias
- Guías de procedimiento y cursos de formación
- EPI (Guantes, gafas, cascos, ropa ignífuga…)
- EPC (Duchas de seguridad, mantas ignífugas…)
• Proceso
- Incorporación de un sistema de alivio de
presión en columna, condensador y bomba
- Construcción de un cubeto de contención
alrededor de la instalación
- Colocación de un sistema de control de
presión antes y después de la bomba
Seguridad en Planta
• Señalización en planta
• Señalización en recipientes
• Señalización de las conducciones

30. Disposición en planta
Equipos Distancia (m)
Columna 3
Caldera 0,5
Condensador 3,16
Bombas 1
Tanque de reflujo 1,15
Equipos Distancia (m)
Columna-condensador 7,77
Bomba de reflujo- Tanque de reflujo 2,96
Columna-Bomba de reflujo 3,55
Columna caldera 2,93

31. Estudio económico
Partida Coste (€/año)
Consumo eléctrico 115082,93
Consumo de gas natural 381478,9
Consumo de agua 2826473,86
Materias primas -
Mano de obra 135179,68
Amortización 336523,48
Total 3794738,85
Producto Producción anual (m3/año) Precio unitario (€/L)
Metanol 8260,97 0,0106
Etanol 12048,67 0,0155
1-propanol 15534,99 0,0200
1-butanol 18490,49 0,0238

32. Planificación y ejecución
Tareas críticas Duración
Etapa I: Preparación del terreno 76 días
Permisos y gestiones 30 días
Estudio del terreno 7 días
Contratación mano de obra 7 días
Adecuación del terreno 15 días
Cimentación 5 días
Etapa II: Compra y recepción de
equipos y material
60 días
Compra y recepción de piezas de la
columna
60 días
Etapa III: Instalación 35 días
Instalación de los equipos auxiliares 15 días
Instalación de las tuberías 10 días
Instalación de la instrumentación 5 días
Instalación del cubeto 5 días
Etapa IV: Instalación eléctrica 13 días
Programación del sistema de control 3 días
Instalación eléctrica 10 días
Etapa V: Pruebas y chequeos 16 días
Limpieza general 1 día
Chequeo de los equipos 10 días
Prueba del conjunto 5 días
Etapa VI: Puesta en marcha 20 días
Puesta en marcha 20 días
El proyecto comenzará el 12 de Septiembre de 2016 y finalizará
el 3 de Agosto de 2017.
La duración del proyecto es de 220 días laborales, donde la
jornada laboral es de 40 horas semanales para los trabajadores.

33. Presupuesto
Proyecto: DISEÑO DE UNA COLUMNA TIPO KAIBEL
Capítulo Importe
1 Acondicionamiento del terreno . 75.174,50
2 Equipos . 1.312.230,45
3 Tuberías y accesorios . 16.953,59
4 Sistemas de instrumentación y control . 4.543,71
5 Sistema y accesorios de seguridad . 9.041,33
Presupuesto de ejecución material 1.417.943,58
13% de gastos generales 184.332,67
6% de beneficio industrial 85.076,61
Suma 1.687.352,86
21% IVA 354.344,10
Presupuesto de ejecución por contrata 2.041.696,96
Asciende el presupuesto de ejecución por contrata a la expresada cantidad de DOS MILLONES CUARENTA Y UN MIL SEISCIENTOS NOVENTA Y SEIS EUROS CON NOVENTA Y
SEIS CÉNTIMOS.

34. Muchas gracias por su atención