Fraccionamiento del gas natural

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÙCLEO MONAGAS ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIASAPLICADAS DEPARTAMENTO DE PETRÓLEO ÁREAS DE GRADO – GAS NATURAL

FRACCIONAMIENTO DEL GAS NATURAL

Profesor:

Bachilleres:

Pedro Tineo

Contreras, Luis C.I: 19.782.674 Figueroa, Luis A. C.I: 19.719.413 Meneses, Evilyn C.I: 20.507.284 Vargas, Francis C.I: 19.807.185

Maturín, Marzo de 2016 1

Contenido

INTRODUCCIÓN:......................................................................................................3 FRACCIONAMIENTO DE LOS LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL.............................4 Equipos principales de una torre de fraccionamiento............................................8 PRODUCTOS DEL GAS NATURAL..........................................................................9 DISEÑO DE COLUMNAS DE FRACCIONAMIENTO:.........................................11 Dimensionamiento de un tren de fraccionamiento...............................................11 Tipos de torres.....................................................................................................12 Métodos para el diseño de columnas de fraccionamiento:.................................14 Selección de dos componentes claves................................................................15 Presión de operación y tipo de condensador......................................................16 CONTROL DE SISTEMAS DE FRACCIONAMIENTO............................................23 Control de presión................................................................................................26 Control de Nivel....................................................................................................27 Control de composición-Temperatura..................................................................29 PROBLEMAS OPERACIONALES DE LAS COLUMNAS DE FRACCIONAMIENTO. .................................................................................................................................30 PLANTA DE FRACCIONAMIENTO ALMACENAJE Y DESPACHO JOSE.............32 Descripción del proceso de fraccionamiento.......................................................33 CONCLUSIÓN.........................................................................................................37

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INTRODUCCIÓN:

Los procesos de remoción de los hidrocarburos pesados de la corriente de gas natural

se

conocen

como

extracción

de

líquidos

del

gas

natural.

Estos

hidrocarburos líquidos, conocidos como líquidos del gas natural (LGN) están conformados principalmente por etano, propano, butanos y gasolina natural. La recuperación de dichos componentes se requiere no solo para el control de punto de rocío de hidrocarburos en la corriente de gas natural, con el fin de evitar la formación de una fase líquida durante el transporte y asegurar la especificación para una entrega y combustión segura, sino también debido a que estos componentes son una fuente atractiva de ingresos, ya que tienen un valor significativamente más grande cuando son vendidos por separados. El nivel deseado de recuperación de LGN es establecido muchas veces por la diferencia entre el precio de venta de este como líquido y como combustible, lo que se conoce como

valor

de

reducción.

Los componentes que se obtienen del procesamiento del gas natural, puro o mezclado; son utilizados como combustibles, insumo petroquímico o en la elaboración de gasolina. El gas procesado o gas residual, constituido principalmente por

metano

y

etano,

es

comprimido

y

luego

distribuido;

a

través

de

la red nacional de gasoductos para ser enviados a los centros de consumo y ser usado como combustible. Por lo tanto, no existe un patrón fijo de tratamiento y procesamiento.

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FRACCIONAMIENTO DE LOS LÍQUIDOS DEL GAS NATURAL. El sistema de fraccionamiento es usado para separar una mezcla en productos individuales de salida. El fraccionamiento es posible cuando dos productos tienen diferentes puntos de ebullición. La operación consiste en que al introducir una mezcla de hidrocarburos, los componentes que tengan menor punto de ebullición (más livianos) se vaporizan primeramente y tienden a subir y los componentes de puntos de ebullición más altos (más pesados) se quedan en el fondo. El proceso de destilación consiste en introducir dentro de la torre de destilación

la

alimentación

multicomponente

(metanol-agua,

mezcla

de

hidrocarburos, etc.). En el tope de la columna se obtiene una mezcla de los componentes más livianos en fase vapor, la cual se condensa al pasar a través de un condensador, donde una parte de este condensado se retorna de nuevo a la torre y el resto es el destilado producto de la operación. En el fondo de la columna se obtiene una mezcla de los productos más pesados en fase líquida, este líquido se introduce en un rehervidor, en donde se evapora por medio de un condensador tipo parcial, este vapor es retornado a la torre de destilación y el líquido sobrante es el residuo producto de la destilación. El condensador en la torre de destilación puede ser total, parcial o mixto, ya sea que el destilado se necesite en fase vapor o en fase líquida respectivamente. En un condensador total, todo el vapor a la salida de la torre es condensado, y posteriormente se separa, donde una parte del líquido se regresa a la torre (reflujo) y la otra es el producto deseado. En un condensador parcial o mixto se obtiene una mezcla líquido-vapor en equilibrio, que luego entra a un separador. En el condensador parcial, el destilado 4

es exclusivamente vapor, mientras que todo el líquido que sale del separador regresa como reflujo a la torre, mientras que para el condensador mixto, el destilado es tanto líquido como vapor, y una parte del líquido se regresa a la torre como reflujo. El reflujo siempre debe entrar a la columna en fase líquida.

Esquema general de los elementos principales presentes en una torre de destilación. Alimentación La alimentación es introducida a la torre continuamente. Puede ser liquida en cuyo caso el rehervidor tendrá que evaporar las partes livianas para que suban por la torre. Puede estar completamente vaporizada, en cuyo caso el condensador enfriará y condensará las partes más pesadas para que bajen por la torre. El caso más común es de una alimentación semivaporizada. Las partes livianas estarán vaporizadas al entrar a la torre y subirán. Las partes más pesadas bajaran hacia el fondo. A medida que las partes livianas (vapor) vayan subiendo por la torre, estarán en contacto con el líquido de cada plato. El intercambio que existe resulta en la condensación de las partes más pesadas del vapor ascendente y la evaporación de las partes más livianas del líquido descendente. Este intercambio 5

ocurre en cada plato, y a medida que el vapor vaya subiendo se hace cada vez más liviano. Así llega al tope de la torre donde sale hacia al condensador. La parte superior de la torre se llama sección de rectificación. La parte liquida de la alimentación cae hacia el fondo de la torre. En su camino se encuentra con vapores que suben. El líquido es despojado de los más livianos que suben con el vapor, el cual ha dejado sus partes más pesadas con el líquido. Este, al llegar al fondo contiene las partes más pesadas de la alimentación y sale por el fondo de la torre. Esta parte inferior de la torre se llama sección de despojamiento; y la parte de la torre donde se inyecta la alimentación se llama zona de vaporización instantánea. Rectificación La operación de rectificación consiste en hacer circular en contracorriente el vapor de una mezcla con el condensado procedente del mismo vapor, en un aparato denominado columna de rectificación. Las partes esenciales de una columna de rectificación son: columna propiamente dicha, que es en donde se verifica el contacto íntimo entre el líquido y el vapor; el calderín, situado en la base de la columna en donde se hace hervir la mezcla a separar y el condensador de reflujo situado en la cúspide de la columna, que se encarga de suministrar el líquido descendente para su contacto con el vapor. Para lograr el íntimo contacto entre las fases liquidas y vapor a objeto de establecer el intercambio de materia entre ambas fases, interesa que la superficie y el tiempo de contacto sean suficientes. Reflujo El objeto de sacar el reflujo (como vapor) de la torre y volver a introducirlo como líquido frío es de enfriar la parte superior, y a veces toda la torre. El reflujo 6

entra en contacto con los vapores ascendentes, en el plato superior, los enfría y condensa las partes más pesadas de ese vapor. Parte del reflujo se evapora, y el efecto neto es un aumento de temperatura de la parte del reflujo que como liquido baja al plato siguiente. Allí se repite el mismo proceso: sube la temperatura del líquido, se evapora más líquido y se condensa más vapor. El líquido, a medida que baja, se va haciendo más pesado y el vapor, a medida que sube, se va haciendo más liviano. Si no hubiera reflujo, los vapores subirían desde abajo sin condensarse ni bajar temperatura, y no habría fraccionamiento. Si la cantidad de reflujo fuera muy baja se evapora antes de bajar todos los platos de la parte rectificadora de la torre (se secan los platos situados más abajo). Si hay exceso de reflujo, la temperatura de la parte superior de la torre sería muy baja, y no podría evaporar todas las partes livianas deseables. Un reflujo total significaría que no se obtiene ningún producto de tope, es decir, todo el producto obtenido se introduce nuevamente en la torre. Corte lateral Cuando se desea, se extrae de la torre parte del líquido que cae en un cierto plato. Si se desea un producto más liviano, se extrae de un plato de la parte superior de la torre. Si el “corte” lateral se desea más pesado, se saca de un plato situado más abajo. Cuando se saca el “corte” lateral, hay que tener cuidado de no retirar todo el líquido de ese plato. Si se hace un retiro completo, los platos de abajo se “secaran”: no habrá reflujo interno, y el fraccionamiento será pobre. En algunas torres, uno o más cortes se extraen de platos de retiro total. Estos platos no permiten que el líquido que cae a ellos baje al plato inferior. En este caso, hay que introducir un reflujo externo por debajo del plato de “retiro total” y por encima del plato inferior para que haya liquido por debajo del plato de “retiro total”. Este

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método nos permite un mejor control de la temperatura del plato de retiro del producto, pudiéndose así controlar las características del producto. Equipos principales de una torre de fraccionamiento. Rehervidor: Equipo cuyo único propósito es el de vaporizar parte de los líquidos que están en el fondo de la torre produciendo vapores que fluyen desde el fondo hacia el tope. Cualquier líquido que no se vaporice en el rehervidor pasa a ser producto de fondo. Tambor de destilado: El propósito del tambor de destilado es proporcionar un flujo estable de reflujo y producto de tope. El tambor debe ser lo suficientemente grande como para absorber variaciones pequeñas en el flujo de condensación. También ayuda en la separación del vapor y del líquido y en algunos casos es usado para separar dos fases líquidas inmiscibles. Condensadores: Se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercambiador que cumple una función de disminución de temperatura, ya sea para gases, vapores y otros. Intercambiadores de calor: Es un equipo cuyo objetivo principal es la transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferentes temperaturas.

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PRODUCTOS DEL GAS NATURAL. El gas natural como materia prima es la más adecuada para la fabricación y obtención de gran diversidad de elementos y componentes químicos como el hidrógeno, que deben su importancia al contante uso y requerimiento en la industria química y petroquímica, entre los compuestos más importantes

y

significativos se encuentra: 

El amoníaco: gas de olor picante, incoloro, de fórmula NH3, muy soluble en agua. Es el producto base de toda la industria de abonos nitrogenados, así como también es muy utilizado en la mayoría de los productos desinfectantes



y

de

limpieza.

El azufre: es un elemento químico no metal abundante que cuenta con un olor característico. Es esencial para todos los organismos y necesario para muchos aminoácidos y, por consiguiente, también para las proteínas. Este compuesto se puede extraer del gas natural debido a que éste contiene sulfuro de hidrógeno que una vez separado se quema para obtener azufre. Se usa principalmente como fertilizante pero también en la fabricación de pólvora, laxantes, cerillas e insecticidas.



El metanol: también conocido como alcohol metílico o alcohol de madera, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como anticongelante, disolvente y combustible, asimismo que se utiliza en la fabricación, de plásticos y proteínas sintéticas.



El etileno: es un gas incoloro, con un olor ligeramente dulce, soluble en gas. Es uno de los compuestos químicos más importantes de la industria, siendo el mayor compuesto orgánico utilizado en todo el mundo. En agricultura se utiliza como colorante y agente madurador de muchas frutas. 9



El butadieno: compuesto químico sintético, utilizado principalmente en la fabricación de caucho sintético, nailon y pinturas de látex.



El Propeno: hidrocarburo que se utiliza como producto de partida para la producción de un gran número de productos importantes. En base a este compuesto se genera una gran diversidad componentes fundamentales utilizados en artículos como los embalajes de leche, sillas, cuerdas, gomas sintéticas, pinturas, entre otros.



Propileno: El Polipropileno (PP), es un polímero termoplásticoutilizado en una amplia variedad de aplicaciones incluyendo el embalaje, industria textil (por ejemplo, cuerdas, ropa interior térmica y alfombras), artículos de papelería, partes de plástico y envases reutilizables de varios tipos, equipos de laboratorio, los altavoces, componentes de automoción, la más recientemente en la industria de la construcción. Además de un polímero a partir de la monómero propileno, es resistente y extraordinariamente resistente a muchos solventes químicos, bases y ácidos.

Olefinas Compuestos orgánicos que en su estructura molecular poseen al menos un doble enlace carbono-carbono. Se encuentran en pequeñas cantidades en el gas natural y en el petróleo. Usos de las Olefinas Comonómero de polietileno, detergentes, lubricantes sintéticos y aditivos para aceites lubricantes, plastificantes, surfactantes, mercaptanos, etc.

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Algunos de los usos del polipropileno: Juguetes. Boomerangs. Vasos de plástico. Los recipientes para alimentos, medicinas, productos químicos. Ropa y electrodomésticos. Fibras. Sacacorchos. Alfombras. jeringa para inyección. Prado sintético. Bolsas y Bolsos. Suministros para hospital esterilizados. Piezas de automóviles (defensas, los pedales, las cubiertas de la batería, tapicería interior, lámparas, ventiladores, sopladores y otras varias piezas). Piezas para lavadoras. DISEÑO DE COLUMNAS DE FRACCIONAMIENTO: Dimensionamiento de un tren de fraccionamiento Consideraciones Teóricas: Se usa para separar dos o más corrientes en base a la diferencia de las volatilidades o puntos de ebullición (punto de burbujeo). La volatilidad relativa de dos componentes determina la dificultad de su separación; mientras más cercanos estén los puntos de burbujeo más difícil es la separación.

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El componente más volátil es aquel con menor punto de burbujeo y el menos volátil tiene mayor punto de burbujeo. El principio de separación consiste en crear un gradiente de temperatura mediante la adición de calor por el fondo y el retiro de calor por el tope. Cuando la alimentación esta formada por dos o más componentes, estos se distribuyen en cantidades apreciables hacia el fondo y tope en base a su volatilidad. Cuando se fracciona un sistema de dos componentes, el más liviano se denomina llave liviana y la más pesada llave pesada. Si se fracciona un sistema multicomponente, pueden haber más de dos componentes distribuidos; en este caso, los componentes llave serán los que demuestren mayor cambio en la composición entre el tope y el fondo. Una columna de fraccionamiento está dividida en dos secciones respecto al plato de alimentación: zona de rectificación o enriquecimiento (tope) y zona de despojamiento (fondo). En la zona de despojamiento, los platos tienen mayor cantidad de líquido que de vapor mientras que en la zona de rectificación ocurre lo contrario. Tipos de torres 1) Torres Empacadas: Se recomiendan para los siguientes casos:   

Operaciones al vacío: Se puede diseñar para caídas de presión menores . Para líquidos espumantes: se produce menor altura de espumas. Se reduce la retención de líquido, lo que permite manejar procesos con

 

materiales sensibles al calor. La construcción suele ser más sencilla y económica en sistemas corrosivos. En torres de diámetro pequeño, son más económicas que las de platos.

2) Torres de Platos:

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Existen numerosos diseños de dispositivos de fraccionamiento. En la industria, ellos se pueden clasificar en bandejas con bajante y sin bajantes. Un plato o bandeja típica consiste en un área de burbujeo, el área de sello del bajante y el área del bajante. Usualmente, la bandeja está equipada con un rebosadero de salida en el extremo de salida de la corriente del área de burbujeo. El líquido que desciende de la bandeja superior a través del bajante, cambia su dirección en el área del sello del bajante y entra al área de burbujeo. Aquí el líquido entra en contacto con el vapor ascendente a través de la bandeja. El rebosadero de salida sirve primariamente para mantener el nivel del líquido de la bandeja, así como para constituir o suministrar un sello al bajante. Las bandejas con bajantes se diseñan para tener una trayectoria de líquido, o dos o más trayectorias si la tasa de flujo líquido es lo suficientemente elevada. 3) Tipos de platos. Los platos con campanas. Fueron los preferidos por parte de la industria, y aún son usadas en muchas instalaciones. Una bandeja de este tipo, diseñada apropiadamente, puede tener prácticamente una ilimitada relación de cambio ("turndown", o relación entre flujo máximo y flujo mínimo de operación), es decir, que puede ser operada hasta con flujo de vapor casi nulo, sin un significativo descenso de su funcionamiento. Se muestra una bandeja de campanas de burbujeo en operación, con una tasa de flujo de 10 % de su valor de inundación. Las bandejas de plato perforado (tipo tamiz). Son uno de los dispositivos más ampliamente usados en la industria. Ellas son fáciles de diseñar con el nivel actual de desarrollo del orificio, y se operan con confiabilidad para la mayoría de los campos la tasa de flujo de vapor. No hay "lagrimeo" de líquido desde la bandeja superior aún a esta tasa tan baja. Las bandejas de válvulas. Hay varios diseños de válvulas disponibles para el usuario, de varios fabricantes. Básicamente, bandejas de válvulas son bandejas 13

de plato perforado con válvulas móviles colocadas sobre las perforaciones. Este diseño tiene alta capacidad, amplio campo de operación y buena eficiencia de separación. Hay también bandejas equipadas con válvulas rectangulares. La mezcla del líquido y vapor sobre la bandeja cubre una amplia gama de regímenes de flujo, desde burbujeo hasta la condición de pulverización, dependiendo de los sistemas y de las condiciones de operación. La mayoría de las bandejas deben operarse por encima de una cierta tasa, a fin de obtener comportamiento satisfactorio. Esto es particularmente cierto con bandejas tipo tamiz; ellas comienzan el "lagrimeo" cuando la tasa de flujo de vapor está por debajo de cierto valor. Este es el "punto de lagrimeo" para una bandeja tipo tamiz, el cual es función de la geometría de la bandeja y de las propiedades físicas del sistema líquido / vapor manejado. Si la tasa de vapor se reduce aún más, la bandeja perforada "lagrimeará" todavía más y su eficiencia de separación se hará inferior. Sin embargo, algunos experimentos han demostrado que el "lagrimeo" considerable, aún del 20 % del líquido circulado, no será necesariamente perjudicial para la eficiencia de la separación. El "lagrimeo" de bandejas perforadas puede reducirse y aún eliminarse, mediante disminución del área perforada de la bandeja; no obstante, esta disminución de área puede reducir la capacidad de la bandeja.

Métodos para el diseño de columnas de fraccionamiento:

Este fraccionamiento multicomponente se basa en los mismos principios de equilibrio de fases que la destilación binaria. El diseño o análisis de una torre de destilación de multicomponentes utiliza relaciones de equilibrio y balances de masa y energía (Foust,1998).

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Sin embargo, la mayoría de los procesos de destilación a nivel industrial involucran mezclas de dos o más componentes, por lo que en estos casos no es aplicable los métodos gráficos y una solución analítica es difícil de obtener. Por ello; en la actualidad existen métodos cortos, semi rigurosos y rigurosos de cálculos disponibles para el diseño de columnas de sistemas multicomponentes.

Selección de dos componentes claves En una columna con una sola alimentación, destilado y fondo, se separa una mezcla de multicomponentes en dos fracciones. Los fondos contienen los componentes “pesados”, menos volátiles de la alimentación; el destilado contiene los componentes “ligeros”, más volátiles de la alimentación. Los componentes de volatilidad intermedia aparecen en ambos productos en cantidades apreciables. - Componentes Clave: pueden ser o no aquellos cuyas separaciones se han especificados - Componente Clave Ligero: Es el componente más pesado entre los componentes - Componente

livianos Clave

Pesado: Es

el

componente

componentes

más

liviano

entre

los

pesados

- Componentes no Clave Distribuido: Es aquel componente cuya volatilidad se encuentra entre la volatilidad de los componentes clave.

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Presión de operación y tipo de condensador Para determinar la presión de la columna se deben considerar los siguientes factores: - Consideración en el condensador -Refrigerante accesible (agua): mínima T=120ºF (49ºC) -Presión permisible:0 –415 psia (2,86MPa) - 0–215psia: Se recomienda un Condensador total - 215–365 psia: Se recomienda un Condensador parcial - >365psia: se recomienda un condensador parcial y el uso de un refrigerante.

- Consideración en el rehervidor: -La temperatura en el fondo de la columna no debe exceder la condición de descomposición o la condición cercana a la crítica. Los limites de presión y temperatura son solo una aproximación y dependen de los factores económicos.Se supone que las caídas de presión en la columna y en el condensador son de 5psia. Sin embargo,cuando se determina el numero de platos necesarios se deben realizar cálculos más rigurosos que permitan:

- Caída de presión: -En el condensador: 0 a 2 psia -En la columna: 0,1psi/plato para operación de la columna a presión atmosférica o superatmosférica 0,05psi/plato para operación de columnas a vacío.

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Con la columna operando a las presiones establecidas,la alimentación puede someterse a un Flash Adiabático para una presión del plato de alimentación de PD + 7,5 psia con el fin de determinar la condición fásica de la alimentación(Seader y Henley,1998).

Métodos rigurosos

Entre los métodos más utilizados para el análisis de columnas de destilación para la separación de soluciones ideales y no ideales se pueden mencionar (Holland, 2000):

- Método θ de convergencia: se recomienda para cualquier tipo de destilación siempre y cuando las mezclas no se desvíen demasiado de las soluciones ideales (método mejorado de Thiele - Geddes).

- Método de punto de burbuja (BP): se recomienda cuando la alimentación está constituida por componentes de volatilidad parecida (Método de Admunson Pontinen modificado).

- Método de suma de flujos (SR): se recomienda cuando la alimentación está constituida por componentes de muy diferente solubilidad o volatilidad (puntos de ebullición alejados).

- Método 2N de Newton - Raphson: este método permite una considerable flexibilidad en la elección de las variables especificadas y por lo general, es capaz de resolver todos los problemas.

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Métodos aproximados

Estos métodos permiten la determinación del numero de etapas teóricas como una función de la relación de reflujo, etapas mínimas y reflujo mínimo y, en la práctica son utilizados como diseño preliminar. Entre los métodos aproximados se

mencionan:

- Método de Fenske – Underwood – Gilliland y sus variantes: para determinar el reflujo y las etapas necesarias en la destilación de sistemas multicomponentes.

- Método de Kremser y sus variantes: para separaciones en las que intervienen varias cascadas simples en contracorriente, tales como absorción, agotamiento y extracción líquido - líquido.

- Método de Edmister: para separaciones en las que intervienen cascadas en contracorriente

con

alimentaciones

intermedias,

tales

como

destilación.

(Carrasquero, 2011).

-Método de Fenske: El método de Fenske da una rápida estimación para las etapas teóricas mínimas con reflujo total, si se considera la volatilidad relativa constante:

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B:subíndice para producto de fondo. D: subíndice para producto de tope. HK: subíndice para clave pesado. LK: subíndice para clave liviano. Nmin: Etapas teóricas mínimas. XLK: Fracción molar del componente clave liviano. XHK: Fracción molar del componente clave pesado. αLK/HK: Volatilidad relativa del componente liviano en comparación con el componente clave pesado. -Método de Underwood: Este método da una rápida estimación de los requisitos de reflujo mínimo, cuando se especifican las composiciones del destilado y los productos de cola. Cosiste en determinar el valor de una constante θ, que satisface la ecuación,

Los valores de θ deben estar entre las volatilidades relativas de los componentes clave.

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-Gilliland y sus variantes: son correlaciones de etapas - reflujo. Las correlaciones más usadas son las de Gilliland y Erban - Maddox y muchos de los diseñadores recomiendan ambas. La correlación de Erban - Maddox es considerada más adecuada, especialmente en relaciones de reflujo bajas; sin embargo la correlación de Gilliland es más fácil para el uso de computadoras y además ambos métodos son consistentes con el método de Fenske y el de Underwood.

El número de etapas teóricas para llevar a cabo una cierta separación depende de la razón de reflujo de operación. De las infinitas combinaciones posibles, debe elegirse aquélla que haga que el coste total de la destilación sea lo menor posible. La relación de reflujo real se suele expresar como un múltiplo del reflujo mínimo y, en general, el óptimo económico para separaciones que requieren gran número de etapas suele encontrarse en torno a un valor de R/Rmín de aproximadamente 1.10, mientras que aquéllas que requieren pocas etapas se suelen diseñar para valores de R/R min de alrededor de 1.50. Para casos intermedios se suelen utilizar valores del orden de R/R mín = 1.30.

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La expresión más utilizada para relacionar la razón de reflujo y el número de etapas teóricas es la correlación empírica de Gilliland, que se representa en la siguiente figura, y que se obtiene a partir de 61 puntos experimentales que cubren lo siguientes intervalos de condiciones: 1. Nº de componentes = 4 - 11 2. ψ = 0.28 - 1.42 3. Presión = vacío - 600 psia 4. αLK, HK = 1.1. -4.05 5. Rmín = 0.53 - 9.09 6. Nmín = 3.4 -60.

Correlación de Gilliland en coordenadas lineales (Henley y Seader) La curva de la figura ha sido ajustada a la siguiente ecuación, desarrollada por Molokanov y col.: 21

donde

.

Como es usual, el valor de N incluye una etapa para una caldera parcial y una etapa para un condensador parcial.

De acuerdo con La figura, un pequeño incremento inicial de R por encima de Rmín provoca una gran disminución de N, pero incrementos posteriores ya no tienen tanta influencia sobre el número de pisos. El cambio brusco de pendiente corresponde a la razón de reflujo óptima. En general, la correlación de Gilliland presenta problemas cuando el agotamiento es más importante que la rectificación, debido a que no se tiene en cuenta el caudal de vapor generado en la caldera ("boilup"). Por otro lado, esta correlación tampoco tiene en cuenta la condición térmica del alimento, y tiende a ser conservadora para alimentos con fracciones líquidas bajas. El efecto de la condición térmica del alimento puede llegar a ser importante cuando la volatilidad relativa de LK respecto de HK es es alta o cuando el alimento es pobre en componentes volátiles. Posición del piso de alimentación Una aproximación razonablemente buena de la localización de la etapa óptima de alimentación puede obtenerse utilizando la ecuación empírica de Kirkbride:

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donde NR y NS representan, respectivamente, el número de pisos en el sector de enriquecimiento y en el de agotamiento (es decir, N = N R + NS). Otra ecuación utilizada con frecuencia es la ecuación de Fenske, que se obtiene cuando se supone que la relación entre el número de pisos por encima y por debajo del piso de alimentación es la misma que la determinada por la aplicación de la ecuación de Fenske a ambos sectores por separado (esto no es cierto más que para separaciones y alimentos simétricos):

donde αs es la volatilidad relativa media de LK en la sección inferior de la columna. El número de pisos en dicho sector se calcula:

La ecuación de Fenske proporciona peores resultados que la de Kirkbride. En general, es preferible utilizar la ecuación de Kirkbride ya que, como se ha dicho, la ecuación de Fenske sólo es aplicable para alimentos y separaciones simétricas.

CONTROL DE SISTEMAS DE FRACCIONAMIENTO

Una adecuada estrategia de control permitirá que la columna reaccione correctamente ante diferentes perturbaciones o cambios en el punto de operación, de forma rápida, estable, sin exceder límites de operación y sin llegar a una perjudicial interacción entre los lazos de control. 23

Existe una gran variedad de estructuras de control para columnas de destilación. Esta variedad tiene su origen en las diferentes configuraciones de columnas de destilación, condiciones de operación y los componentes involucrados en la destilación. Por ejemplo Luyben menciona que la selección de la mejor estructura de control no es una tarea sencilla; esto se debe a que se ve afectada por factores tales como volatilidades, pureza de los productos, relación de reflujo, presión de la columna, costos de la energía, tamaño de la columna y composición del alimento.

El estudio de la dinámica y control en columnas de destilación extractivas es un tema relativamente nuevo. Uno de los primeros trabajos al respecto fue la tesis doctoral de Vincent Grassi en 1991, el cual muestra sus resultados en el libro de Luyben de 1992 (Luyben 1992); en ella presenta una metodología para el diseño de sistemas de control en columnas de destilación planteando diferentes esquemas o estrategias y analizándolas por medio de simulaciones poco rigurosas.

Cuando se selecciona e implementa una determinada estrategia de control en cualquier proceso industrial que involucre transferencia de calor o masa se desea cumplir con los siguientes objetivos: Control del balance de materia, control de la calidad de los productos y satisfacción de restricciones de operación (Buckley, Luyben 1985). Específicamente hablando de columnas de destilación, la filosofía es la siguiente: 1. Control del balance de materia 

El sistema de control debe satisfacer que la suma del flujo másico de los productos sea exactamente igual al flujo másico de los alimentos en 24

condiciones de estado estacionario. Esto se conoce como control de 

inventario. El resultado de ajustes en el flujo de proceso, debe ser suave y gradual



para evitar trastornos en la columna o en el proceso corriente abajo. El nivel o mejor conocido “holdup” en una columna, deben ser mantenidos entre ciertos límites máximo y mínimo.

2. Control de la calidad de los productos 

Mantener la concentración del componente clave en un valor especificado. Ya sea en la corriente de destilado D o en la corriente de fondos B. Es quizá el objetivo más importante en el control de una columna de destilación, y por tanto, en ello se centrará la selección de la mejor estrategia de control



para la columna. Recuperar la mayor cantidad posible del componente clave en una de las corrientes. Esto se traduce en hacer que la separación de los componentes sea lo más eficiente posible.

3. Satisfacción de restricciones Por seguridad, la operación de la columna debe satisfacer las siguientes restricciones:   

Evitar la inundación de la columna Evitar el lloriqueo (para columnas de platos) Una caída de presión suficiente para mantener la operación de la columna,



pero no exceder un valor permisible. Una condición térmica adecuada para las corrientes de alimento. Esta condición se cumple colocando lazos de control de temperatura para dichas corrientes. Para que los lazos de control funcionen bien y de forma armónica se debe

primero contar con una adecuada instrumentación y que las válvulas de control se

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encuentren diseñadas correctamente. Adicionalmente se debe tener en cuenta el arranque y parada del proceso.

Los

controles

de

balance

de

materia

y

composición

deben

funcionar

satisfactoriamente en el momento que se presenten las siguientes posibles perturbaciones o cambios en las siguientes variables del proceso:    

Caudal de los alimentos Composición de los alimentos Temperatura en los alimentos Presión de Vapor

Control de presión La presión es uno de los parámetros que intervienen con mayor influencia para mantener constante la calidad de los productos, tanto en cima como en fondo de la columna. Esto se debe a que la presión afecta en gran medida la volatilidad relativa de los componentes, y por tanto, el grado de separación entre ellos. Debido a lo anterior, la presión en columnas de destilación normalmente se mantiene en el mínimo valor posible. Típicamente en las refinerías se opera a la máxima transferencia de calor en el condensador, esto implica la mínima presión y por tanto máxima volatilidad relativa. Sin embargo, es importante prevenir un cambio fuerte en la presión, puesto que un incremento súbito en la presión disminuye el flujo de vapor causando flashing, mientras que un decremento súbito puede causar lloriqueo en la columna. Existen diferentes configuraciones para controlar la presión en una columna. Seleccionar la configuración adecuada depende de tres aspectos fundamentales: 26

  

Presión de operación de la columna: vacío, atmosférica o presionada Tipo de condensación: parcial o total Si hay corriente de venteo, determinar si presenta componentes condensables o no. Control de Nivel En columnas de destilación convencionales se debe controlar el nivel del

tanque acumulador y del rehervidor. Si el acumulador se llena presionara la columna mientras que si el rehervidor está lleno o vacío causara serios problemas de operatividad en la columna. Para controlar el nivel en estos tanques las variables más adecuadas para manipular son los flujos de las corrientes de reflujo L y destilado D para el acumulador, y el producto de fondos (B) o el vapor (V) para el rehervidor. Lo convencional es utilizar la corriente de destilado y de fondos para controlar el nivel en el acumulador y rehervidor respectivamente. Esta configuración permite que las corrientes L y V queden libres para controlar otras variables, por esta razón se conoce como configuración LV. Otras configuraciones comunes son la DV y LB y son conocidas como las configuraciones de balance de materia puesto que las corrientes D y B quedarían disponibles para ajustar el balance de materia de la columna respectivamente. El nivel también puede ser controlado por las relaciones de las corrientes involucradas, algunos ejemplos son las configuraciones L/D-V y L/D-V/B.

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En resumen, existen tres posibles variables a manipular para el control de nivel en el acumulador, estas son L, D y L/D; así mismo existen tres MVs para el control de nivel en el rehervidor o fondo de la columna: V, B y V/B. Por lo tanto existen 9 posibles tipos de configuraciones para el control de nivel, estas son: L-V, L-B, L-V/B, D-V, D-B, D-V/B, L/D-V, L/D-B y L/D-V/B.

La principal forma de seleccionar la configuración del control de nivel es seleccionando el flujo más grande, esto se debe a que las corrientes de mayor flujo absorben más fácilmente los cambios bruscos en el nivel y responden de forma más rápida. Por lo anterior, una relación de reflujo menor a uno (L/D