REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PP PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARIA BARALT” PROGRAMA: INGENIERIA DE GAS ASIGNATURA: FRACCIONAMIENTO
CIUDAD OJEDA 2011
VARIABLES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE LA COLUMNA Entre las variables más importantes que afectan la operación de la columna tenemos: la presión, razón de reflujo, ubicación de platos de carga y la temperatura de la carga. La selección adecuada de estas variables mejora la calidad y la cantidad de los productos. El cambio de una de las variables afecta el valor de las otras, de donde se hace importante entender el efecto de cambiar variables. PRESIÓN DE LA COLUMNA La presión afecta el grado de separación de la mezcla, porque cambia la volatilidad relativa. A mayor presión menor volatilidad relativa, y por tanto, más difícil la separación, se debe operar a la menor presión posible, para aumentar volatilidad y gastar menos energía en la separación. Si la capacidad de la columna está limitada por el área del condensador, un aumento en la presión, aumentara la diferencia de temperatura disponible en el condensador, si la capacidad de la columna está limitada por la carga calorífica, un aumento en la presión de la columna aumentara la capacidad de la
misma.
La
contaminación
de
producto
de
tope,
se
controla
más
efectivamente aumentando la presión antes que la tasa de reflujo. La presión de operación de la columna depende del material que se quiere separar. La presión a la cual una torre puede ser operada está determinada por la presión del vapor del producto de tope, a la temperatura resultante de su contacto con el agua de enfriamiento disponible. La mejor presión de la columna es generalmente la presión más baja, que permite que la corriente del reflujo permanezca en estado líquido. La razón de esto es que mientras la presión sea más baja la volatilidad relativa aumenta, en otras palabras esto significa que el cambio en la composición del
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vapor y el líquido después de mezclados en cada bandeja es mayor a baja presiones. Por lo tanto un incremento de la presión requiere un incremento en la relación del reflujo para mantener el mismo grado de separación, o pureza de los productos. Debido a que la carga de vapor determina en muchos casos la capacidad de un fraccionador es posible incrementar la capacidad de este equipo aumentando su presión de operación. Es importante que dicha presión permanezca constante para tener una operación estable, por ejemplo si la presión se reduce, un gran volumen de líquido se convertirá en vapor causando inundación en la torre. EL REFLUJO La cantidad del reflujo afecta la calidad del producto y la capacidad de la columna, ya que aumenta el grado de separación y la carga calórica de la misma, lo cual afecta la eficiencia del plato. La temperatura del reflujo afecta el reflujo interno. Un reflujo subenfriado requiere mayor cantidad de energía para vaporizar, sin embargo, en casos donde se tengan limitaciones de bombeo de reflujo, el enfriamiento adicional aumenta el reflujo interno. Excesivo reflujo produce inundación y por ende mala separación en los platos. Para pequeños cambios en la composición de la alimentación, se recomienda mantener la razón de reflujo constante, o aumentarla hasta un 15% de la razón mínima de operación y hacer los ajuste en el rehervidor. Debido a que el vapor en el tope del fraccionador es igual a la suma de la corriente de salida del producto del tope mas el liviano que retorna a la torre como reflujo, cualquier incremento de este incrementara no solamente la cantidad del liquido que debe fluir hacia abajo en la columna; sino también la cantidad de vapores que deben fluir hacia el arriba en la columna.
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Por lo tanto para una operación más eficiente, la rata de flujo debe ser tal que la cantidad total de vapores generados no cause inundación en la torre, reduciendo de esta forma la pureza de los productos. La temperatura del reflujo es muy importante considerar. Cuando la corriente enfriada de reflujo es bombeada de nuevo a una torre, esta reduce la temperatura de la bandeja de tope y los vapores existentes son condensados hasta que el reflujo alcanza la temperatura de equilibrio. De esta manera la cantidad de reflujo que fluye a la bandeja siguiente es la suma del reflujo bombeado a la columna mas el liquido formado de los vapores de condensado. Cualquier variación de la temperatura del reflujo afectara por consiguiente la cantidad del reflujo interno, la cantidad de vapores que fluyen en la torre y la carga térmica de la columna. UBICACIÓN DE PLATO DE ALIMENTACIÓN Cuando se trabaja con un porcentaje pequeño del componente llave liviano en la alimentación, que a su vez, debe producirse por el tope con gran pureza, se suele bajar el plato de alimentación para aumentar la zona de rectificación por eso se dejan previstas varias alternativas probables para meter la alimentación en la torre. Por ejemplo, en un separador de butanos donde se requiere que el producto del fondo no contenga mucho isobutano, se puede corregir el producto subiendo el plato de carga y disminuyendo la razón de reflujo. La localización de la entrada de la corriente de alimentación está determinada por su composición. Para una corriente de alimentación con un alto porcentaje del producto de tope la entrada debería estar relativamente alta a la torre. Por el contrario para una corriente con un bajo porcentaje del componente volátil, la entrada debería ubicarse relativamente baja en la misma.
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Adicionalmente debe considerarse que para evitar la contaminación de los productos del rehervidor con los productos del tope, la alimentación debería entrar en un punto relativamente alto por el contrario, para evitar la contaminación de los productos de tope con los productos de fondo, la misma debería entrar en su punto relativamente bajo. Para cualquier condición particular de operación de reflujo, presiones, entre otros. El mejor punto de alimentación es aquel que proporciona un gradiente de temperatura uniforme a través de la torre y da una cantidad mínima de componentes pesados en el tope con un porcentaje mínimo de componentes livianos en los productos del rehervidor. La alimentación debe ser introducida a la columna a la temperatura de ebullición correspondiente a su composición y presión de operación de la columna. Si la temperatura de alimentación de demasiado baja, habrá un efecto de enfriamiento que causara que una cantidad excesiva de vapores condensen causando inundación en la sección inferior de la torre, debajo del punto de entrada. Si la alimentación es introducida demasiado caliente, habrá un exceso de vapores en la sección de alimentación, los cuales deben ser condensados antes que alcance el tope de la columna, ya que podría causar inundación en la sección superior de la torre, por encima de la entrada de la alimentación. TEMPERATURA DE LA CARGA Normalmente es económico que la alimentación entre a su punto de burbuja, por cuanto el rehervidor requiere menos carga calorífica; sin embargo debe evaluarse económicamente el efecto de llevarlas a su punto de burbujeo o agregar más calor en el rehervidor, cuando la carga entra subenfriada. Por limitaciones en la capacidad de la columna y del condensador, conviene
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introducir la carga por debajo de su punto de burbujeo, ya que se genera menos vapor en la zona de rectificación. VARIACIÓN DE LA TASA DE REFLUJO Los resultados experimentales demuestra que la mayor eficiencia en los platos, se obtiene para columnas cargadas entre 85 al 95% del punto de inundaciones,
debajo
del
75%
de
esta
capacidad
la
eficiencia
cae
violentamente. En la torre operando a tasa máxima, cualquier oleaje en el reflujo puede causar inundaciones en los platos del tope y la torre deja de fraccionar. VARIACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LA ALIMENTACIÓN En condiciones extremas, la variación de la composición de diseño puede reducir la capacidad de la planta, o aun más, hacer físicamente imposible producir los productos en especificaciones. El aumento de livianos en una torre afecta la capacidad de condensación y la presión de la torre, por lo que en algunos casos, es necesario colocar una torre estabilizadora antes, para asegurar la pureza del producto. VARIACIÓN DE LA CONDICIÓN DE ALIMENTACIÓN Idealmente la alimentación de la columna entra en el punto de burbuja y parcialmente vaporizando, la experimentación indica que no es deseable vaporizar más el 50% la alimentación. El recalentamiento de la alimentación es particularmente usado como medio de recuperación de energía con productos calientes para ser almacenados en frio.El efecto de cambio en el contenido calorífico de la alimentación se condesa con mayor condensación en el tope o menor consumo de calor en el rehervidor.
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El incremento o no del calor en la alimentación depende de su composición con respecto al diseño. Cuando existe ineficiencia en el rehervidor es recomendable aumentar el calor en la carga, lo cual puede ser compensado con aumento del reflujo. Cuando el condensador es ineficiente se produce el precalentamiento de la alimentación y el calor necesario es añadido por el rehervidor permitiendo realizar el fraccionamiento hasta corregir el problema. INTRODUCCIÓN
AL
CONTROL
DE
LA
COLUMNA
DE
FRACCIONAMIENTO CONTROL DE LA PRESIÓN Para sistemas de condensado parcial, la presión se puede controlar por la manipulación del producto en forma de vapor de una corriente de desahogo no condensable, esto da lugar al control de la presion, para tener una composición constante del producto en forma de vapor en la parte del tope tambien necesita controlarse la temperatura de salida del condensador. Para un sistema de condensado total se usa una valvula de mariposa en la linea de vapor de la parte superior de la columna que va hacia el condensador, es comun la variación del enfriamiento del condensador por diversos medios como la manipulación del flujo refrigerante, tambien se puede controlar la presion por medio de un coeficiente variable de transferencia de calor en el condensador, en este tipo de control el condensador debe contar con una gran superficie, esta superficie se convierte en parte del sistema de control. Un ejemplo de esto es un condensador total con el acumulador operando a plena capacidad y con el nivel arriba del nivel maximo del propio condensador, si la presión es demasiado alta, se baja el nivel para proporcionar un enfriamiento adicional y viceversa. Para aplicaciones al vacío que tienen control de la temperatura de la columna arriba del punto de alimentación,
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tome
en
cuenta
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los
elementos
de
medición
para
los
controladores de temperatura y de la presión próximos entre si, esto hará que cuente con un buen control compuesto al variar las cargas de la columna, en los sistemas al vacío, un ligero cambio en la presión producira grandes cambios en la temperatura de equilibrio CONTROL DE LA TEMPERATURA Con una instrumentacion sencilla no es posible lograr un control satisfactorio de la temperatura en ambos extremos de la columna de fraccionamiento, por lo tanto la temperatura se controla en la seccion de la parte superior o la del fondo, dependiendo de cuál especificación de producto es la mas importante, para una operación de alta pureza la temperatura posiblemente se controlara en un punto intermedio de la columna.
En general el mejor lugar para controlar la temperatura es el punto donde la razon de cambio de la temperatura con respecto a la concentración de un componente clave es máxima, en esencia el control de la temperatura o de la presión de vapor es el mismo, entonces se hacen ajustes del punto prefijado para mantener el producto en el otro extremo de la columna dentro de un rango de pureza, la temperatura es el parametro mas dificil de controlar en un sistema de fraccionamiento, exhibe un alto retraso respecto del proceso y de la medición, la temperatura tambien es ambivalente como medida de la composición.
TEMPERATURA EN LA PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA Esta temperatura se puede controlar en forma automatica o manual por la manipulación del reflujo, para aplicaciones de condensado parcial lo normal es controlar la temperatura de salida del condensador en lugar de la temperatura en la parte superior de la columna en este caso se dispone de diversos métodos como la manipulación del flujo de agua de enfriamiento o haciendo variar el angulo de inclinación de las aspas de los ventiladores en el
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caso de los condensadores enfriados por aire, la manipulación del flujo de agua de enfriamiento tiene los incovenientes de que la transferencia de calor es relativamente invariable y la posibilidad de formacion de incrustación si el flujo no se mantiene. TEMPERATURA EN EL FONDO DE LA COLUMNA La temperatura en el fondo a menudo se controla en la linea de salida del rehervidor, por medio de una válvula de control en la linea del medio de calentamiento, el punto de control tambien puede estar en el plato de la sección del fondo. Debe tenerse cuidado en la ubicación de punto de control de la tempeartura, se recomienda en especial para las columnas grandes una disposición en cascada. El esquema recomendado tiene un RCF en la linea del medio de calentamiento, incluyendo una placa orificio y la valvula de control, el punto prefijado de este RCF se manipula por medio del RCT esto elimina la necesidad de que el RCT manipule en forma directa la valvula de control. Para un rehervidor con fuego directo se usa un sistema de bombeo en todas direcciones con un RCF para mantener el flujo constante, se tendrá una alarma de flujo bajo mas el control de combustible, tambien habra una alarma de flujo alto y corte de combustible, ya que la ruptura de un tubo se reflejaria en un flujo elevado. TEMPERATURA DE ALIMENTACIÓN A
menudo
se
deja
que
esta
varie
con
frecuencia
se
usa
un
intercambiador de calor de flujo cruzado para un precalentamiento, se debe tener cuidado de no calentar demasiado la alimentación ya que generaria un vapor excesivo en la seccion del tope de la columna, siendo perjudicial para la rectificación, el precalentamiento de la alimentación se puede controlar por la manipulación del medio de calentamiento o por la desviación hacia un intercambiador de calor.
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Al decidir controlar o no la temperatura de alimentación el diseñador a veces tiene que elegir entre la establidad de la columna en relación con la recuperación de energia, el control de la temperatura de alimentación se vuelve mas critico a medida que aumenta la cantidad de liquido y vapor en relación con la transferencia producida por el reflujo y el rehervidor. CONTROL DE NIVEL Para un condensador total es normal que se fije el nivel del acumulador mediante la variación en la extracción de destilado, para un condensador parcial se puede controlar con una desviación del gas caliente en el condensador.
El nivel en el fondo de la columna a veces se controla por la
extracción de residuos. La variación del medio de calentamiento del rehervidor es otra posibilidad, para algunos casos el control de nivel por extracción de residuos funciona bien y para otros el control de nivel por el medio de calentamiento. Bojnowski expone un caso en el que se deseaba el control del nivel por medio del calentamiento para dos columnas en una planta. Sin embargo una de ellas tuvo que ponerse en el control de nivel por la extracción de residuos cuando el diseño errado de un termosifón en el rehervidor causo una lenta respuesta con aquel tipo de control. En el caso de suministro de vapor de agua al rehervidor con contenido variable de calor, utilize el control de nivel por medio de calentamiento con la fijación de la composición del gasto de la extracción de los residuos, esto da lugar al mejor control de la composición de los residuos. CONTROL DE FLUJO A menudo no se controla el flujo de alimentación si no más bien el control se hace sobre el nivel de otra columna u otro recipiente, los flujos de productos liquidos (destilado y residuos) con frecuencia se controlan al ejercer
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control sobre el nivel en lugar de sobre el flujo. Sin embargo el producto vapor suele controlarse en relación con la presión, frecuentemente el reflujo se controla con un RCF pero tambien puede ser con un RCT en la columna o por el nivel del acumulador. CONTROL DE LA PRESION DIFERENCIAL Para el analisis de la columna y la detección de fallas es importante tener una medida de la caida de presión con una celda de PD, tambien se puede usar la presión diferencial para controlar el flujo en la columna. Una buena manera de hacer esto seria dejar que la presión diferencial controle el medio de calentamiento que va hacia el rehervidor. La aplicación mas grande para el control con la presión diferencial es con las columnas empacadas, en donde resulta conveneinte operar con un 80 a un 100% de inundación para lograr una mejor eficiencia. CONTROL DE LA TEMPERATURA DIFERENCIAL Puntos sensores de la temperatura en diversos lugares a lo largo del casco de la torre a menudo se constituiran en una util herramienta de detección de fallas, muchos problemas comunes de operación producen una disminución en la temperatura diferencial a traves de una sección de la columna. Un registrador de la temperatura diferencial asi como uno de la presión diferencial proporcionaria una gran ayuda al operario. La temperatura diferencial, asi como la presión diferencial se pueden usar como una variable primaria de control, en un caso era dificil cumplir con los requisitos de pureza de un producto en una columna que tiene componentes
con
puntos
de
ebullición
cercanos,
se
encontró
que
la
temperatura diferencial a traves de varios platos de la sección de fondo son la clave para mantener el control de la pureza. De modo que se puso bajo control un flujo de extracción lateral elevado en la columna por medio de la diferencial critica de temperatura, con esto se controlo el reflujo de liquido que corre
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hacia abajo hasta la zona critica al variar la cantidad de liquido que se sacaba de la extraccion lateral, este esquema resolvio el problema de control. PROBLEMAS
DE
OPERACIÓN
EN
EL
PROCESO
DE
FRACCIONAMIENTO INUNDACION Es un problema comun de operación, normalmente las compañias desean obtener una capacidad maxima del equipo de fraccionamiento y por lo tanto operan de manera rutinaria cerca de las condiciones de inundación plena, este problema es reflejado en un aumento en la caida de presión y en una disminucion de la temperatura a traves de la secion afectada, tambien se perjudica la calidad del producto. Cuando una columna se inunda a menudo cambian los niveles en el acumulador y en el fondo, puede ocurrir que el acumulador se llena con líquido traspasado en tanto que el rehervidor funciona en seco. Asi mismo en una columna inundada la presion con frecuencia tendera a fluctuar, esto puede ayudar a diferenciar entre la inundación y un nivel alto en el fondo de la columna, si la lectura en el indicador de nivel del fondo es sospechosa, el nivel alto en el fondo producira una caida de presion mayor que la normal pero a menudo no la magnitud da las fluctuaciones en la presión asociadas con la inundación. PLATOS SECOS Este problema como la inundacion tambien perjudica la calidad del producto, en la sección seca no se tiene fraccionamiento de modo que disminuye la diferencia de temperatura, sin embargo a diferencia de la inundacion la caida de presion disminuye y permanece muy estable en el valor minimo final, este problema suele ser mas facil de manejar que la inundación, el mismo es causado por liquido insuficiente que entra a la sección o bien por
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demasiado liquido que se va por excesiva ebullicion, el problema se resuelve al invertir la accion que causó los platos secos. Ya que los cambios suelen ocurrir cerca de la fuente del problema, esa fuente suele encontrarse con rapidez usando la instrumentación apropiada, poco reflujo o demasiada extracción en corrientes laterales son dos ejemplos de causa de liquido insuficiente que entra a una determinada sección, por otra parte una alimentacion demasiado caliente o demasiada reebulicion son ejemplos de salida excesiva de liquido por ebullicion.
PLATOS DAÑADOS. EFECTOS Los platos se pueden dañar da varias maneras, una de ellas es la pulsacion en la presion, una masa de agua que entre a una fraccionadora de hidrocarburos pesados producira copiosas cantidades de vapor, si se deja que el nivel del liquido del fondo llegue a la linea de salida del rehervidor la accion de oleaje puede dañar algunos platos del fondo.
Sin embargo cualquiera que sea la causa del daño de los platos a menudo es dificil probar que existe ese daño sin previa inspeccion de la columna, en especial si el daño es ligero. Ademas de obtener un proceso de fraccionamiento de baja eficiencia tambien se puede producir un aumento en la diferencia de presion ya que a menudo el daño se produce en los conductos descendentes o en otras partes que manejan liquido, tambien pudiera ocurrir una disminucion en la presion. NIVEL DE RESIDUOS Los platos son en particular vulnerables a los daños en las operaciones de paro y arranque, en primer lugar es importante evitar un nivel elevado de liquido
de
los
residuos,
el
diseño
de
la
torre
debe
propocionar
un
espaciamiento suficiente arriba y debajo de la linea de vapor de retorno del rehervidor, una distancia igual a por lo menos un espaciamiento entre platos,
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por encima de la linea hasta el plato de fondo o lo que es mejor el espaciamiento entre platos mas otro espacio considerablemente prudente son absolutamente necesarias, es probable que se tengan mas problemas en esta area de la columna que en cualquier otra sin embargo a pesar de un buen diseño de columna se debe observar de cerca el nivel de liquido de residuos en esta seccion. Cuando una torre se inunda en la sección del fondo, un error comun en el operario es intentar un bombeo con demasiada rapidez para bajar el nivel, esto puede dañar con facilidad los platos al imponer una presion diferencial que actua producida por un peso grande de liquido sore la parte superior del plato y un espacio de vapor inmediatamente de este, para eliminar la inundacion es mejor disminuir el flujo de alimentacion y calentar un poco mas el rehervidor, evitando cambios repentinos.
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PROPLEMAS OPERACIONALES MÁS COMUNES EN UN FRACCIONADOR
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PROPLEMAS OPERACIONALES MÁS COMUNES EN UN FRACCIONADOR
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PROPLEMAS OPERACIONALES MÁS COMUNES EN UN FRACCIONADOR
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