TORRES DE DESTILACIÓN A menudo los Operadores reportan que las principales unidades de proceso están limitadas por la capacidad de una una torre de destilación en particular. particular. El El ingeniero de procesos asignado asignado a esa unidad debería tomar este reporte como un desafío; investigar la situación y determinar con precisión que aspecto de la operación es realmente limitante. La experiencia a demostrado que mucas de las limitaciones de los procesos reportadas! son realmente de naturale"a trivial. #or e$emplo! pudo no aberse lavado un condensador de tope o las bande$as de la torre pueden están tapadas y necesitan ser lavadas con agua. Este problema menor puede ser rápidamente rectificado a ba$o costo. En general! el mal monta$e! la acumulación de suciedad! y los problemas en las tuberías son la causa más com%n de limitaciones en la capacidad! más que tama&o insuficiente de un equipo.
Destilación de hidrocarburos ligeros. 'i uno esta resolv resolvien iendo do proble problema mass en una torre torre de destil destilaci ación! ón! en una instalac instalación ión de recuperación de líquidos de gas natural o en una refinería de petróleo! los componentes del problema que causa causa el fraccionamiento fraccionamiento inadecuado! inadecuado! son los mismos( mismos( ) ) ) )
*a&oss inte *a&o intern rnos os de la torr torre. e. +asas sas de de re reflu flu$o ba$a a$as. ,ontrol rol errático. -nundación.
Probleas de Control ay un m/todo muy directo para determinar si un problema de control esta generando productos fuera de especificación especificación . Este m/todo esta basado en la siguiente premisa( 0'i no puedes operar en manual! nunca operarás en automático1. ,ier ,ierta tame ment nte! e! para para las las oper operac acio ione ness rela relati tiva vame ment ntee simp simple less de inte inter/ r/ss en este este text textoo 2deetani"adoras! 2deetani"adoras! debutani"adoras! separadores de propano y butano! y desisopentani"adoras3! desisopentani"adoras3! las especificaciones de fraccionamiento del gas licuado de petróleo y de la gasolina son alcan"ables con control manual. 'i no se puede operar satisfactoriamente una columna de destilación en control manual por unas pocas oras! compruebe si las válvulas de control en el campo están respondiendo adecuadamente a la se&al de posicionamiento de la válvula de la sala de control. *espu/s! incrementar incrementar las tasa de reflu$o r eflu$o y la entrada de calor a los fondos de la torre 2duty del reboiler3. 4na inesperada gran me$ora en la separación entre los componentes principales ligeros y pesados! indica pobre contacto liquido)vapor debido a la descarga del líquido a trav/s de las bande$as o que se aya producido una canali"ación del vapor en los lecos empacados. *e otro lado! si la eficiencia de separación no se incrementa notablemente e incluso decrece cuando el reflu$o es aumentado! el problema es inundación.
Inundación ay dos t/rminos com%nmente aceptados para describir la inundación en una torre de bande$as( #ágina ! de ""
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-nundación líquida -nundación 5et
La figura 67)6 muestra el efecto en la caída de presión de la torre cuando la tasa de reflu$o y el duty del reboiler son incrementados. El punto de inundación líquida esta caracteri"ado por un repentino incremento de la caída de presión medida. En este punto la capacidad de la ba$ante para drenar el líquido fluyendo sobre la salida del vertedero es insuficiente. La altura del líquido en las ba$antes ba$antes mostrada en la 8igura 67)7 67)7 se incrementa asta asta alcan"ar el tope del vertedero; en este punto el líquido comien"a a acumularse en la parte superior de la bande$a y el drena$e desde la ba$ante en la bande$a superior es reducido. +al +al es así! que todas las bande$as por encima encima de la bande$a que esta inundada inundada tambi/n comien"an a inundarse. inundarse. La inundación completa desarrollada por el flu$o descendente siempre reducirá grandemente la eficiencia de fraccionamiento. Los flu$os descendentes! pueden causar inundación! a incluso tasas de flu$o relativas ba$as! si el lado inferior de los flu$os descendentes no está sumergido en el líquido del plato. 9o sellar la ba$ante permite al flu$o de vapor ascendente interferir con el flu$o del líquido en la ba$ante! y así reduce la capacidad del mane$o del líquido. Las ba$antes tambi/n se inundarán a tasas ba$as de flu$o! debido a las altas caídas de presión a trav/s de los platos . *espu/s de todo! la altura del líquido en la ba$ante deber ser suficiente para vencer la presión diferencial entre bande$as. #or lo tanto! los depósitos sucios en los platos! los que reducen el área abierta disponible para el flu$o de vapor! pueden precipitar retroactivamente la ba$ante y provocar la inundación líquida.
#I$%RA !&'!. !&'!. Reducción de la se(aración a altas tasas de re)lu*o indica inundación. Las ba$antes no necesariamente tienen que desbordarse a excesivas cargas para reducir la eficiencia de la torre. La 8igura 67)6 muestra datos recolectados en un separador de :L#! propano butano. La La causa del incremento incremento del contenido de butano butano en la corriente del tope! a altas tasas de reflu$o! fue excesivo arrastre de líquido entre bande$as. 8actores! tales como el incr increm emen ento to de la tasa tasa de refl reflu$ u$o! o! la que que aume aument ntaa el nive nivell del del líqu líquid idoo en los los plat platos os , promoviendo el arrastre! arrastre! el cual cuando cuando es excesivo! excesivo! es llamado 0-nundación 0-nundación 5et1.
Inundación +et *esde luego! la inundación inducida por las ba$antes de respaldo tambi/n aumentará el nivel de líquido en la bande$a! mientras que el arrastre del líquido incrementa la carga de la ba$ante. #ágina & de ""
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-nundación líquida -nundación 5et
La figura 67)6 muestra el efecto en la caída de presión de la torre cuando la tasa de reflu$o y el duty del reboiler son incrementados. El punto de inundación líquida esta caracteri"ado por un repentino incremento de la caída de presión medida. En este punto la capacidad de la ba$ante para drenar el líquido fluyendo sobre la salida del vertedero es insuficiente. La altura del líquido en las ba$antes ba$antes mostrada en la 8igura 67)7 67)7 se incrementa asta asta alcan"ar el tope del vertedero; en este punto el líquido comien"a a acumularse en la parte superior de la bande$a y el drena$e desde la ba$ante en la bande$a superior es reducido. +al +al es así! que todas las bande$as por encima encima de la bande$a que esta inundada inundada tambi/n comien"an a inundarse. inundarse. La inundación completa desarrollada por el flu$o descendente siempre reducirá grandemente la eficiencia de fraccionamiento. Los flu$os descendentes! pueden causar inundación! a incluso tasas de flu$o relativas ba$as! si el lado inferior de los flu$os descendentes no está sumergido en el líquido del plato. 9o sellar la ba$ante permite al flu$o de vapor ascendente interferir con el flu$o del líquido en la ba$ante! y así reduce la capacidad del mane$o del líquido. Las ba$antes tambi/n se inundarán a tasas ba$as de flu$o! debido a las altas caídas de presión a trav/s de los platos . *espu/s de todo! la altura del líquido en la ba$ante deber ser suficiente para vencer la presión diferencial entre bande$as. #or lo tanto! los depósitos sucios en los platos! los que reducen el área abierta disponible para el flu$o de vapor! pueden precipitar retroactivamente la ba$ante y provocar la inundación líquida.
#I$%RA !&'!. !&'!. Reducción de la se(aración a altas tasas de re)lu*o indica inundación. Las ba$antes no necesariamente tienen que desbordarse a excesivas cargas para reducir la eficiencia de la torre. La 8igura 67)6 muestra datos recolectados en un separador de :L#! propano butano. La La causa del incremento incremento del contenido de butano butano en la corriente del tope! a altas tasas de reflu$o! fue excesivo arrastre de líquido entre bande$as. 8actores! tales como el incr increm emen ento to de la tasa tasa de refl reflu$ u$o! o! la que que aume aument ntaa el nive nivell del del líqu líquid idoo en los los plat platos os , promoviendo el arrastre! arrastre! el cual cuando cuando es excesivo! excesivo! es llamado 0-nundación 0-nundación 5et1.
Inundación +et *esde luego! la inundación inducida por las ba$antes de respaldo tambi/n aumentará el nivel de líquido en la bande$a! mientras que el arrastre del líquido incrementa la carga de la ba$ante. #ágina & de ""
#or lo tanto los t/rminos inundación líquida y $et son un asunto de semántica. La inundación en lo concerniente concerniente al personal operativo operativo esta dada dada por lo siguiente( siguiente( •
La diferencia de temperatura entre la salida del reboiler y el tope de la torre! se reduce cuando la tasa de alimentación es aumenta.
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La concentración de componentes principales pesados! aumenta cuando la tasa de reflu$o aumenta.
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,on el duty ,on duty del del rebo reboil iler er fi$o fi$o!! incr increm emen enta tarr la tasa tasa de refl reflu$ u$oo no resu result ltaa en un incremento proporcional de la tasa de productos de fondos.
#I$%RA !&'&. !&'&. El lado in)erior de la ba*ante deber,a e-tenderse (ulg. Aba*o del to(e del /ertedero La carga de la bande$a la cual corresponde al tipo de inundación incipiente de bande$a! descrito arriba! es caracteri"ada por lo siguiente( Ecuación 6( ∆ P
2 sp. gr .32T N 32TS 3
≥
77< a 7=<
*onde( ∆#( caída de presión! pulgadas de agua. 'p gr( :ravedad específica específica del líquido en la bande$a a la temperatura temperatura apropiada. T ( 9% 9%me mero ro de band bande$ e$as as +'( +'( Espa Espaci cioo ent entre re band bande$ e$as as!! pul pulga gada das. s. N
0EDICIÓN DE LA P1RDIDA DE PRESIÓN DE LA 2ANDE+A #ara obtener una medición exacta de la perdida de presión a trav/s de las bande$as en un fraccionador de ba$a presión 2menor a 6= psig3! se puede utili"ar un indicador de presión %nic %nico. o. 'in 'in emba embarg rgo! o! para para la mayo mayoría ría de serv servic icio ioss que que impl implic ican an prop propan ano! o! buta butano no y condensados de gas natural! se debe emplear un indicador de ∆# como el Magneholic. Los #ágina 3 de ""
indicadores >agneolic están disponibles para presiones de asta =?? psig. 'i la finalidad es resolver problemas! es me$or locali"ar el indicador Magneholic como se muestra en la figura 67)@! mas que confiar en la purga de los gases inertes de las llaves de presión para prevenir la condensación liquida en las caídas de presión la cual distorsiona la verdadera medición del ∆# de la bande$a.
#I$%RA !&'3. Instalación Instalación de un indicador P con auto drenado drenado es /ital (ara detectar la inundación de la bande*a. INCIDENTES CON#%SOS La locali"ación de averías de las plantas de procesos esta caracteri"ada por un descenso en el realismo. ,omo una prueba de esta afirmación! considerar que medir una caída de presión de torre ba$a no prueba que la torre no esta inundada! y que medir una caída de presión alta de la torre! no establece que las bande$as 2o empaques de la torre3 están sobrecargados. #or e$emplo! los operadores de una planta de líquidos de gas natural notaron un contenido inusualmente alto de butano! en el producto de tope del depropani"ador. #ara rectificar el problema! aumentaron la tasa de reflu$o cerca al 7?<. Esto solo pareció degradar el fraccionamiento a%n más. Los operadores revisaron las caídas de presión en la sección de rectificación! esperando encontrar las bande$as inundadas. #ara su sorpresa! la caída de presión medida por bande$a era bastante ba$a. 'ignificó esto que la torre no estaba inundadaB ,uando inspeccion/ la torre! encontr/ una indicación absolutamente positiva de inundación! una línea de venteo en el tope de la torre emitió liquido cuando se abrió. Esta observación unida con la ba$a caída de presión por bande$a medida! indicaba que solo la bande$a de tope estaba inundada. ,uando abrimos la torre para inspeccionar! encontramos el plato de la #ágina " de ""
bande$a del tope incrustado con productos de corrosión. Estos depósitos abían causado una alta caída de presión sólo en la bande$a del tope y abían causado que la ba$ante en sólo la bande$a del tope rebalse.
ALTO NI4EL DE L56%IDO IND%CE A LA IN%NDACIÓN La figura 67)C ilustra la operación de una debutani"adora equipada con un reboiler. El nivel del líquido en el fondo de la torre esta determinado por la diferencia de presión entre el reboiler y la torre. ,omo los vapores del reboiler regresan a la torre! el reboiler debe estar a mayor presión! los operadores de planta observaron que cuando incrementaban la carga de calor al reboiler más allá del punto seguro! la lectura del indicador de ∆# aumentaría dramáticamente! indicando inundación. #or lo tanto concluyeron erróneamente que las bande$as estaban sobrecargadas. 'in embargo! la inundación de la torre fue inducida por el alto nivel del líquido en los fondos de la torre. ,uando el duty del reboiler fue incrementado! la presión del reboiler tambi/n incremento. Este aumento el nivel en los fondos de la torre. ,uando este nivel alcan"ó la boquilla de retorno de vapor del reboiler! la torre se inundó debido al arrastre de líquido desde el fondo de la torre asta el fondo de la bande$a. Los operadores abían notado que el nivel del líquido aumentó cuando el duty del reboiler fue incrementado! pero ellos pensaron que el nivel de líquido de fondos no causaría inundación de la bande$a asta que este nivel alcance el fondo de la bande$a. Este punto merece /nfasis( ,uando el nivel del líquido del fondo de la torre! aumenta asta la entrada de vapor o la boquilla del retorno del reboiler! la bande$a del fondo empe"ará a inundarse. La inundación se extiende acia arriba de la torre! mientras que el liquido es arrastrado por encima del cabe"al. 'in embargo! incluso en este punto! el nivel del líquido indicado en la torre esta todavía al nivel de la boquilla de ingreso de vapor.
#I$%RA !&'". Increento de P en la l,nea de /a(or increentar7 el ni/el del l,8uido en el )ondo de la torre hasta la bo8uilla de retorno de /a(or9 a (unto 8ue la bande*a de )ondo se inundar7. 4na cuidadosa investigación de la caída de presión indicó que ubo una inexplicable alta caída de presión en la línea de ingreso de líquido. ,uando la torre fue abierta para inspeccionarla! el cadáver de una rata muerta fue descubierto locali"ado en la boquilla de ingreso de líquido del reboiler. -nvoluntariamente! esta rata causó que la torre se inundara cuando la tasa del reboiler fue incrementada. 'i la rata abía muerto en la línea de salida del vapor! el efecto ubiera sido el mismo. #ágina : de ""
RE4ISIÓN DE LA TE0PERAT%RA 4ERTICAL 4na de las erramientas más poderosas disponibles para identificar inundación de bande$a es un escaneo por radiación. 4na revisión vertical de una columna usando una fuente radioactiva mostrará ambos niveles! el del líquido y el de la espuma en las ba$antes! y los platos. *esafortunadamente! es un procedimiento excesivamente caro! el costo típico es de 4'D 7=!???.?? por torre. El ob$etivo del escaneo por radiación es precisar la bande$a en particular que empie"a la inundación. Esta bande$a act%a como un punto pinc en la columna. Esto quiere decir que las bande$as sobre la que se esta inundando! tambi/n se inundarán 2pero en menor grado3. Las bande$as inferiores a la bande$a de punto pinc! no serán afectadas. 4n m/todo poco costoso para locali"ar la bande$a de punto pinc es una revisión de la temperatura vertical. Esto se logra con lo siguiente( 6. Locali"ando las ba$antes en el plano de la torre. 7. ,ortando una agu$ero de 6 pulgada de diámetro en el aislamiento de la torre en línea con el centro de cada ba$ante. @. 4sando un pirómetro de superficie 2encontrar una punta de prueba con cabe"a plana y sensible3 cuidadosamente y exactamente medir la temperatura externa de cada ba$ante. Esto tambi/n se puede acer con un termómetro infrarro$o. La figura 67.= muestra los resultados de una revisión. 'i una torre esta funcionando apropiadamente! la temperatura de bande$a siempre disminuye a más altas elevaciones de bande$a. -ncluso cuando la eficiencia de la bande$a es ba$a! todavía abrá un gradiente de temperatura de dirección constante. 'in embargo! la data mostrada en la figura 67)= indica una inversión de temperatura en la sección de agotamiento de la columna. ay dos posibles explicaciones para esta inversión( • •
-nundación de bande$a. #roblemas en los platos.
'i la caída de presión observada a trav/s de la bande$as es peque&a 2de la ecuación 63 la causa de la inversión de temperatura son problemas en los platos . *e otro lado! si un incremento de la tasa de reflu$o logra una inversión de temperatura entre bande$as! la inundación puede ser predica con confian"a.
PRO2LE0A DE DOS #ASES EN EL NI4EL DE #ONDOS ,uando el nivel del líquido en un vaso de nivel! no corresponde al nivel de líquido en el recipiente! 'uponemos que las llaves de vaso nivel están taponadas! es posible que el nivel del líquido en el fondo de una torre de destilación sea más alto que el nivel en el vaso indicador. La figura 67) ilustra una ocurrencia com%n en una +orre de aminas en una planta de gas natural con 6.? de gravedad específica. *ada la locali"ación de las tomas del vaso de nivel! el nivel del liquido que se muestra en el vaso de nivel es el de la amina. 'i pensamos en la altura del vaso de nivel y en el fondo de la torre! como si fueran las dos tomas de un manómetro de #ágina ; de ""
dos fases! encontraremos la ra"ón por la que el nivel del idrocarburo dentro de la torre esta por encima del nivel indicado en el vaso de nivel. Este fenómeno es una causa com%n de inundación en lavadores de gases. *ebido a una equivocada indicación de nivel! el idrocarburo líquido es permitido alcan"ar la entrada de vapor. El líquido es luego arrastrado por el flu$o ascendente de gas sobre la bande$a del fondo. La me"cla de idrocarburo líquido con la solución acuosa de amina promueve la formación de espuma y por lo tanto la inundación de la bande$a del fondo. La formación de espuma o inundación se extienden acia arriba de la torre asta que grandes cantidades de amina sean arrastradas acia arriba con el gas natural dulce. 4na ve" que el idrocarburo líquido acumulado en la torre es limpiado por el vapor en las bande$as inundadas! el nivel de fondos de la torre es mantenido deba$o de la boquilla de ingreso de vapor! la inundación y la tasa de exceso de amina transferida se detienen. #ara los operadores! la causa de la inundación parece inexplicable. Esta se a iniciado y detenido por si misma. 'in embargo! es posible locali"ar el nivel en los fondos de un lavador de gas natural con amina por el tacto. La salida del líquido normalmente esta de 7?F8 a C?F8 más caliente que la entrada de vapor. Esta diferencia de temperatura! la podemos notar en la parte exterior del casco de la torre! y corresponde al verdadero nivel del líquido en los fondos. #ara prevenir el desarrollo de esta situación! los idrocarburos que pasan a trav/s de las llaves deberían ser proveídos en el fondo de las torres de lavado de gas natural de 7' con amina.
#I$%RA !&':. La in/ersión de te(eratura es un indicador de)initi/o de inundación. #I$%RA !&';. El ni/el obser/ado en el indicador de /idrio (uede no corres(onder al ni/el de l,8uido en la torre. #OR0ACIÓN DE ESP%0AS La ecuación 6 establece que una bande$a disminuye su eficiencia debido a la inundación $et incipiente! cuando la caída de presión por plato! expresada en pulgadas de líquido! equivale al 77< a 7=< del espacio entre platos. El t/rmino pulgadas de líquido asume que el líquido esta #ágina < de ""
libre de aire. *esde luego! el líquido en las ba$antes y en las bande$as esta más cerca de ser una espuma que un líquido. ,uanto mas aireado sea el liquido 2más parecido a una espuma será3! mayor será el efecto del líquido en la caída de presión medida externamente. #or lo tanto! los líquidos que forman espuma en columnas de destilación 2tales como aminas sucias y fraccionadores ricos en etano3 alcan"an su punto de inundación $et incipiente a caídas de presión menores del 7?< indicado en la ecuación 6. 9ormalmente! esta espuma no puede ser observada en el fondo de columnas de vidrio a simple vista. -ncluso si los fondos de la torre están reteniendo un nivel de espuma sobre la entrada de vapor 2o boquilla de retorno del reboiler3! el fluido en el cristal de vista es a liviano! líquido deareado. #ara observar un alto nivel de espuma en el medidor de vidrio de fondos proceder como sigue(
!. Gloquear la llave del indicador de nivel de los fondos. &. Abre totalmente la llave del tope. 3. Abrir la válvula de drenado del indicador de cristal. Asumiendo que la espuma esta encima de la llave del tope! la espuma iniciara comen"ara a salir lentamente.
INCRE0ENTO DE LA CAPACIDAD DE LA 2ANDE+A. La capacidad de las torres existentes puede ser incrementada cambiando desde bande$as asta empaques. Aunque esta es una modificación cara! se pueden lograr incrementos de capacidad de asta @=<. *esafortunadamente! un estudio mostró que el interior de un separador de isobutano)nbutano de H pies de diámetro interior costaría 4'D C= ??? para bande$as y 4'D 7I? ??? para estructura empacadas. 4n plan menos ambicioso para expandir la capacidad de destilación! es mostrado en la figura 67)J. ,ombinando las ideas mostradas en este bosque$o con algunas otras características comunes de bande$as! se puede fácilmente incrementar la capacidad asta en 7=antener a una mínima longitud de trayectoria de flu$o de 6. 7. 4sar bafles deflectores en el centro de las ba$antes de las bande$as de dos pasos. @. >aximi"ar el n%mero de copas o agu$eros en los platos. A menudo! un cambio menor en las dimensiones de la ba$ante o en el anco de un anillo de la bande$a puede acomodar una fila adicional de casquillos de válvulas o mucas más perforaciones.
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#I$%RA !&'<. 0>todo (ara auentar la ca(acidad de la bande*a C. 4sar una válvula de retención con monta$e de casquillo que no restrin$a el flu$o de vapor. Este! y los siguientes ítems! todos aumentan ligeramente costo de una bande$a. =. -nstalar platos a$ustados con tipo venturi. Esto reducirá el ∆# de la bande$a. . -nclinar las ba$antes! de forma que el área de salida es el =< del área superior de la ba$ante. J. 4sar barrido detrás de los vertederos! como los descritos en el >anual de dise&o de bande$as KO,. Esto reducirá la altura del líquido sobre el vertedero. H. -nstalar colectores de aceite auecados ba$o las salidas de las ba$antes. En efecto esta modificación incrementará el área abierta ba$o la ba$ante y esto reducirá la caída de presión. I. educir la altura del vertedero en cada bande$a. >ucas bande$as vienen con vertederos a$ustables! y si una torre esta inundada debido a que el líquido regresa por las ba$antes 2la cual se nota por un incremento en la caída de presión de la bande$a! cuando se incrementa la tasa de reflu$o3! reduciendo la altura del vertedero puede incrementar perceptiblemente la capacidad de la torre. ,om%nmente! el lado superior del vertedero esta M pulgada por encima del lado superior de la ba$ante. Esta dimensión mantiene la ba$ante libre de líquido y previene el arrastre de vapor a trav/s de la ba$ante. 'in embargo! este nivel podría ser cambiado a cero 2para torres de diámetro peque&o donde las bande$as an sido cuidadosamente y exactamente niveladas3. 4n nivel de cero depende de la altura idráulica del líquido sobre el vertedero para sumergir la salida de la ba$ante. educiendo la altura del vertedero en M pulgada disminuirá el nivel del líquido en la ba$ante en 6 pulgada. *isminuir la altura de los vertederos debería ser emprendido conociendo que en más de una ocasión se a observado la disminución de la eficiencia de la bande$a! luego de la reducción.
2ANDE+AS DA?ADAS #ágina @ de ""
>uy a menudo! los soportes del empaque en las torres son despla"ados! o las bande$as de destilación son da&adas! cuando la torre es operada con un nivel de líquido alto en los fondos. ,uando el nivel del liquido en el fondo esta varios pies por encima de la bande$a de fondos ingresa calor for"ado a la torre! resultando en un despla"amiento de las pocas bande$as de fondos. Ocasionalmente! las bande$as no son bien a$ustadas durante las inspecciones. El resultado de cualquiera de estas dificultades es la disminución de la eficiencia de fraccionamiento. 'i bien es cierto que las fotografías de rayos N del interior de torre detectan fácilmente mucos tipos de da&os en las bande$as! esto puede ser un procedimiento engorroso y caro! para solucionar averías. 4na forma mas simple de obtener la misma información es aciendo un mapeo de presiones. ,aídas de presión en torres! de menos de 6 pulgada de agua por bande$a! típicamente indican da&os en la bande$a! asumiendo un espacio entre bande$a de 7C pulgadas.
TORRES LLENAS DE L56%IDO El contenido de líquido en la línea de vapor de tope! puede ser un buen indicador de inundación en la torre. #or e$emplo! un separador propano) isobutano tuvo un alto contenido de ,C en la línea de vapor del tope! y un alto contenido de ,@ en los fondos. +anto el reflu$o! como la alimentación estaban corriendo a tasas que normalmente dieron buen fraccionamiento. En la revisión de la unidad! se descubrió que se abía formado ielo en la superficie de la línea acia el flare! desde la válvula de alivio del tope del separador. La válvula de sobrepaso alrededor de la válvula de alivio estaba escapando lentamente. 9ormalmente! la expansión de vapor a 7?? psig a trav/s del bypass debería enfriar solo cerca de 7?F8. #ero! ubo una caída de temperatura de más de H?F8! indicando que el propano líquido estuvo presente en la línea de vapor del tope y que fue expandido a trav/s del sobrepaso! y que al menos la bande$a del tope estaba inundada. ,uando se sospeca de inundación de la torre! la línea de vapor debería ser revisada para líquidos.
CA02IOS DE RE#L%+O 9ormalmente! un cambio en la tasa de reflu$o debería me$orar el fraccionamiento. 'i no ocurren cambios en la operación de la torre! como resultado de cambiar la tasa de reflu$o! se puede sospecar que la torre esta inundada. 'e pueden usar dos reglas de pulgar para determinar los efectos de un cambio incremental del reflu$o( para cada incremento de 6??? G#* en la tasa de reflu$o! la tasa de vapor del reboiler debería incrementar cerca 67?? lbr; un incremento de 6??? G#* en el reflu$o debería incrementar la tasa de flu$o de fondos cerca de =? G#*. 'i ninguno de estos efectos ocurre cuando se cambia la tasa de reflu$o! entonces se puede sospecar inundación. #or e$emplo! en un separador ,@),C en una 8,,! se incremento el reflu$o a 6???G#* desde los I??? G#* utili"ados normalmente! en un esfuer"o por minimi"ar el contenido de butano en el tope del separador. La tasa de vapor en el rebolier no se incrementó cuando se #ágina ! de ""
incremento el reflu$o 2el flu$o de vapor se controla automáticamente por la temperatura de los fondos3. Los J??? G#* extra de reflu$o! no fluyeron acia la parte inferior de la torre! porque la bande$a estaba ya inundada con la tasa de reflu$o de I??? G#*. El reflu$o adicional desbordó la torre y fue reciclado de nuevo al drum de reflu$o por los condensadores del tope. La inundación fue atribuida a un taponamiento de la toma de nivel! del sistema de control! que evitó que detectara el nivel de fondos. La lectura incorrecta del nivel permitió que líquido subiera en la torre asta alcan"ar las bande$as inundadas.
CONTROL DE NI4EL ,uando los controles de nivel no operan correctamente pueden causar inundación de la torre. En el e$emplo anterior! el controlador de nivel es de los que utili"an un compartimiento separado para el flotador 28ig. 67)H3. Este tipo de controladores puede detectar niveles incorrectos. En otra situación! un controlador de nivel dio la alerta indicación de que el nivel de fondos de la torre estaba en el H=< de apertura. *e eco! el controlador abía mostrado un H=< constante por varios días. #ara verificar la indicación del controlador! se observo el nivel del líquido en el vaso de nivel en la torre! despu/s se abrió cuidadosamente ambas llaves del medidor de nivel por separado. *renar las llaves es esencial para obtener una verdadera medida leída en el medidor de nivel. *espu/s de este procedimiento! el indicador de vidrio estará lleno. #orque el personal de mantenimiento del instrumento estaba confiado en la lectura del controlador de nivel! sugirió que el nivel estaba en el rango del área A 28ig. 67)H3. +ambi/n observó que el compartimiento del flotador abía sido aislado recientemente. El aislamiento causó que el controlador de nivel detectara incorrectamente el verdadero nivel en los fondos de la torre. El compartimiento asilado realmente contuvo líquido cerca de ? F8 mas caliente que el que contenía antes de ser aislado. La temperatura más alta del líquido redu$o la gravedad específica del líquido en el compartimiento desde ?.=6 sp gr a ?.C= sp gr! cerca de 6=<.
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#I$%RA !&'=. Insulated )loat chaber gi/es incorrect. El nivel es determinado por este tipo de controladores! multiplicando la salida en miliamperios del controlador 2proporcional a la altura del líquido en el compartimiento3 por la gravedad específica del líquido en la torre. Antes que el instrumento estuviera aislado! la gravedad específica en el compartimiento era igual a la gravedad específica del líquido de la torre! y el instrumento fue calibrado por consiguiente. 'in embargo la gravedad específica mas ba$a en el compartimiento despu/s de ser aislado! ocasiono que el instrumento indique el H=< de nivel! cuando el compartimiento estaba lleno. #or lo tanto! el nivel de fondos de la torre podría alcan"ar el 6??< o más sin una reacción del controlador de nivel. #ara rectificar el problema! el nivel de fondos fue reducido incrementando la tasa de reflu$o de productos de fondo. El controlador de nivel fue recalibrado a su condición de aislado y la eficiencia de fraccionamiento retorno a lo normal.
PRO2LE0AS DEL RE2OILER. 'olucionar problema de mal funcionamiento de reboilers puede ser la parte más difícil para determinación de las limitaciones de la capacidad de una torre de destilación. Asumiendo una configuración de reboiler típica! como la mostrada en la figura 67)I. El fluido de proceso pasa por el casco en un intercambiador ori"ontal de termosifón intercambiando calor con vapor saturado por el lado de los tubos. El problema com%n del reboiler de termosifón es la circulación reducida. Esta condición es diagnosticada determinando el aumento de temperatura a trav/s del reboiler. La diferencia de temperatura obtenida debería ser comparada al ∆+ de dise&o 2diferencia de temperatura3. 'i el ∆+ medido es muco mayor 2más del =?<3 que el ∆+ de dise&o! la circulación a trav/s del reboiler es insuficiente. Las dos causas usuales de disminución de circulación del reboiler son tubos tapados y fugas en las trampas de las bande$as. Los ingenieros de procesos pueden desarrollar una serie de experimentos para determinar si se necesita limpiar el reboiler para remover taponamientos o si es necesario abrir la torre de destilación para reparar un mal funcionamiento de las trampas en las bande$as. Los siguientes son detalles en diagnóstico y corrección de la circulación insuficiente. #ágina !& de ""
TRAPO%T PANS ,omo primer paso para probar fugas en las trampas de las bande$as! tomando como referencia la figura 67)I. 'i la torre tiene una línea de arranque del reboiler abierta esta incrementara el nivel de fondos de la torre al máximo. 'i la temperatura de salida del reboiler cae rápidamente! esta es una indicación positiva del mal funcionamiento del reboiler de la trampa de la bande$a.
#I$%RA. Con)iguración t,(ica de reboiler. 'i la torre no esta equipada con una línea de reboiler de arranque! intentar incrementar el flu$o de líquido a la trampa de la bande$a. Esto se logra incrementado la alimentación de la torre o la tasa de reflu$o. 'i la trampa de la bande$a esta fugando! el flu$o de líquido incrementado a la bande$a causará que la ∆+ entre la entrada y la salida disminuya.
RE2OILER TAPONADO 'i ninguno de los m/todos arriba descritos ayuda a incrementar la circulación en el reboiler! las áreas del flu$o del lado del casco están probablemente restringidas. Esto se verifica cerrando lentamente la válvula de bloqueo al ingreso del reboiler y observando el cambio en la temperatura a la salida del lado del casco. 'i cerrando la válvula de bloqueo un ?)J?< no se incrementa la temperatura de salida del lado del casco! es prueba de que ay un sustancial taponamiento en el lado del casco. #ágina !3 de ""
REPARACIÓN DE TRAPO%T PAN La causa exacta del mal funcionamiento de las trampas de la bande$a puede determinarse fácilmente una ve" que la torre está fuera de servicio. La manguera para el agua en el centro de la ba$ante desconectar la torre de la entrada del reboiler y observar el flu$o de agua.
PRO2LE0AS EN EL LADO DEL 4APOR Los reboilers de vapor están su$etos a una amplia variedad de problemas serios de capacidad. El más com%n es la condensación del vapor de reserva dentro del canal del cabe"al. Esto se verifica drenando manualmente el vapor consensado a una alcantarilla cercana y observando si el duty del reboiler se incrementa o la válvula de control del ingreso del vapor se cierra. En primera instancia el efecto de la condensación del vapor de reserva fue claramente observado durante una vuelta de la unidad. ,omo se muestra en la figura 67)6?! la capa de oxido en el lado del canal del cabe"al de un reboiler muestra claramente asta donde normalmente llega el nivel de condensado. Esta es una indicación positiva de que el 7?< del área de transferencia de calor del reboiler estaba inundado y por lo tanto! in%til. La condensación del vapor de reserva puede deberse a una de las siguientes causas( • • •
>al funcionamiento de la trampa de vapor. Excesiva presión en el colector de vapor. -nstalación de una válvula de control directamente en la línea de drenado de condensado. Esto es generalmente un problema sólo cuando el vapor suministrado es de @? psig o menos.
e mantenido a menudo que podría retirarme y vivir en lu$o de los ingresos de corregir este %ltimo error com%n del dise&o. El problema es eliminado fácilmente por la adición de un drum de control del nivel de condensado! que interviene entre el reboiler y la válvula de control.
2LOBN CONDENSATE SEAL El problema opuesto a la condensación del vapor de reserva es la salida brusca de vapor no condensado a trav/s del reboiler y la línea de drena$e del condensado. Este fenómeno causa una p/rdida en transferencia de calor enteramente fuera de la proporción esperada. Literalmente la mitad del duty del reboiler puede perderse por la salida de una cantidad aparentemente peque&a de vapor por la línea de drena$e del condensado.
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#I$%RA !&'!. %na ca(a rust en el lado del /a(or de un reboiler uestra el ni/el al cual el condensado del /a(or usualente corre #ara determinar si este problema existe en el reboiler! se establece un flu$o de condensado constante! restringiendo la línea del efluente del condensado. La temperatura del fondo de la torre aumenta! el reboiler tiene un foco de condesado! con la consecuente p/rdida de vapor y capacidad en el reboiler. La corrección es la misma que para el condensado de reserva( instalar un sello de vapor condensado en el drum. La tasa de condensación de vapor tambi/n puede retrasarse por la acumulación de no condensables en la cabe"a del canal! conduciendo a una perdida en el duty del reboiler. +ípicamente! el ,O7 de la corriente de alimentación de vapor se acumula deba$o del canal del cabe"al de división de los fondos. 'i permitimos su acumulación! el ,O7 se disolverá en el condensado y formara acido carbónico! corrosivo. 'eparador del flu$o de fondos! el cual es utili"ado para ventear los no condensables. 9ota( Es in%til vetear desde el tope del canal del cabe"al si solo deseamos ventear el vapor del cabe"al.
PRO2LE0AS DE RE#L%+O El sistema de tope de una torre consiste de un condensador! drum de reflu$o y bomba de reflu$o. El condensador! en particular esta su$eto a una variedad de problemas.
#%$AS EN 4L4%LA DE CONTROL DEL SO2REPASO 4na instalación típica de un controlador sobrepaso de vapor caliente se muestra en la figura 67)66. En una refinería! una grana debutani"adora estuvo limitada por mucos a&os por la capacidad de condensación del tope durante el verano. 'e compró un nuevo condensador para solucionar el problema. Antes de la instalación! un ingeniero observó que la línea sobrepaso #ágina !: de ""
del vapor caliente estaba caliente al tacto! aun cuando la válvula de sobrepaso estaba cerrada. Al bloquear la válvula de control manualmente; se incremento en =?< la capacidad del condensador instantáneamente. El nuevo condensador no fue instalado. ,ontin%a en el almac/n como un monumento a la observación inadecuada del campo. El propósito del controlador del sobrepaso de vapor caliente es bombear calor dentro del drum de reflu$o. Obviamente! si ay limitaciones en la capacidad de condensación! el ingreso de calor extra al drum de reflu$o agrava la limitación. 4sualmente! el tipo de asiento de goma en la válvula de control de sobrepaso tipo mariposa de vapor caliente se seca con los a&os y necesita ser cambiado. En mi experiencia! la solución es eliminar el por completo el control del sobrepaso de vapor caliente y convertir la torre a una torre inundada por condensado y que se controla con la presión.
LA4ADO DE CONDENSADORES *efinitivamente! una de las primeras cosas a buscar en condensadores enfriados con agua! son conexiones de lavado. +ales condensadores deben lavarse periódicamente para obtener alto desempe&o. Esto es especialmente cierto! si la temperatura de salida del agua es más alta que la de dise&o. Las bolsas plásticas son el material que típicamente bloquea las entradas del tubo. Lodos! ierbas! cangre$os y las ta"as de papel son tambi/n comunes. La conexión del agua de lavado es una boquilla soldada sobre la porción de la entrada de la cubierta del cabe"al del canal. La boquilla debería ser del mismo tama&o como la línea de entrada de agua de enfriamiento. #ara me$ores resultados proceder como sigue( 6. Gloquear el ingreso de agua de enfriamiento. 7. Abrir completamente la línea de lavado. @. ,ontinuar con el lavado por 7? segundos o que el agua aclare.
#I$%RA !&'!!. %na /7l/ula de control de b(ass de /a(or de esca(e reduce e)ecti/aente la ca(acidad del condensador #ágina !; de ""
Las conexiones de lavado se instalan fácilmente con las líneas fuera de servicio. Las conexiones peque&as son in%tiles 2ver capitulo 3.
4ELOCIDAD DEL A$%A La tasa de depósitos sucios dentro de los tubos del agua de enfriamiento puede incrementarse exponencialmente cuando la velocidad del agua decrece. La velocidad del agua debería ser al menos @ piesseg. #ara determinar la velocidad del agua! primero estimar el calor consumido por las tasas de reflu$o y destilado. Luego medir las temperaturas de entrada y salida del lado del agua y calcular el volumen de agua de enfriamiento. 'i la velocidad calculada es menor que @ piesseg.! incrementar el n%mero de pasos en el lado de los tubos modificando las particiones de los pasos. 9o olvidar que duplicando el n%mero de pasos en los tubos se incrementa la caída de presión H veces.
CONDENSADORES EN#RIADOS CON AIRE El problema usual en los condensadores enfriados con aire es insuficiente flu$o de aire. ,alcular el duty del condensador de tope desde datos laterales del proceso. Luego medir las temperaturas de entrada y salida y calcular el volumen de aire movi/ndose. ,omparar este n%mero contra el valor de dise&o! despu/s medir el ampera$e que es marcan los motores de los ventiladores y comparar este n%mero! con la o$a de datos de dise&o. evisar la caída de presión del aire a trav/s de los tubos con un manómetro de agua y compararlo con el valor de dise&o. Estos datos proveerán una guía en si la inclinación de los alabes del ventilador debería ser incrementada para mover más aire. >irar la subida del ampera$e del motor cuando aumenta la inclinación. 'i el incremento en la inclinación de los alabes no enfría lo suficiente! puede ser necesario el ventilador 2si la limitación es la inclinación3 o el motor 2si la limitación es el ampera$e3 o ambos.
RECIRC%LACIÓN DE AIRE Locali"ación enfriadores por aire muy cerca o un dise&o inapropiado puede ocasionar que el aire descargado de un ventilador sea arrastrado por un ventilador de otro condensador. Esta recirculación puede comprobarse comparando la temperatura promedio de entrada con la del ambiente.
DRENA+E DE L56%IDO CONDENSADO 'olo se pueden obtener tasas de transferencia de calor significativas en la porción de tubos del condensador no sumergidos en el líquido. #ara un condensador de casco y tubos con agua de enfriamiento en el lado de los tubos! los tubos sumergidos en el condensado son usados para sub)enfriar el condensado. Estos tubos no contribuyen en nada a la condensación de los vapores del tope de la torre. La 8igura 67)67 muestra como puede verse el nivel de condensado dentro de un intercambiador de calor. ,erca del @?< de superficie de transferencia de calor efectiva se pierde! como se muestra en la ilustración. 4na manera de ubicar el nivel de condensado en un condensador es esperar un día %medo y frio. 'i el agua de enfriamiento es lo suficientemente fría! la umedad atmosf/rica condensara fuera del casco. El nivel de condensado dentro del casco corresponderá al área %meda del casco aproximadamente. 4n m/todo más simple es tocar el casco desde fuera. 'e locali"ará #ágina !< de ""
una fran$a de 7)C pulg. de anco en la superficie del casco con una diferencia sensible de temperatura. >arcar esta línea! la cual es el nivel de liquido sub enfriado! y calcular 2del dibu$o de distribución del tubo3 el porcenta$e de tubos sumergidos en condensado.
RAONES DEL S%2 EN#RIA0IENTO DE CONDENSADO El sub enfriamiento del condensado ocurre cuando el producto de tope de la torre de destilación es totalmente líquido. Esto significa que el contenido del drum de reflu$o estará en su punto de burbu$a o por deba$o. La operación del condensador se a$ustará automáticamente para satisfacer esta condición.
#I$%RA !&'!&. Ni/el de condensado en un condensador de to(e. Cerca del 3F de la su(er)icie e)ecti/a de trans)erencia de calor est7 suergida #or e$emplo! considerar el drum de reflu$o de una depropani"adora ubicado 67 pies por encima de un condensador. #uesto que la gravedad específica del propano es ?.=7! la presión del drum de reflu$o es @ psi mas ba$a que la presión de salida del condensador. ,omo el líquido que ingresa al drum del reflu$o esta a su punto de burbu$a! el líquido que sale del condensador esta! necesariamente! sub enfriado por @ psi. 4na presión diferencial de @ psi para propano es cerca de 6.=F8 en la carta de presión de vapor. Aora! considere tanque de alimentación en la línea de entrada al drum de reflu$o del depropani"ador. Este introduce una perdida de presión adicional entre la salida del condensador y la entrada al drum de reflu$o de psi. Aora se requieren C.= F8 de subenfriamiento. En la misma torre! un sobrepaso de vapor caliente alrededor del condensador empie"a a fugar. Esto pone adiciona una peque&a cantidad de vapor a la entrada del drum de reflu$o. Al me"clarse con la salida del condensador! el vapor se condensa! incrementando la temperatura del drum en @F8. #ara que el contenido del drum de reflu$o se mantenga a su punto de burbu$a! la temperatura de salida del condensador debe perder @F8 adicionales! aora se requiere un total de J.=F8 de sub enfriamiento. Esto es bastante sub enfriamiento. #ágina != de ""
RED%CIENDO EL L56%IDO S%2EN#RIADO *edicar 6?< del área superficial para subenfriar es acertado cuando el drum de reflu$o esta elevado sobre el condensador. 'i uno encuentra @?< o más de los tubos en duty subenfriado! algo esta mal. evisar la perdida de presión desde la salida del condensador asta la entrada al drum de reflu$o. estar la perdida de presión estática calculada 2i.e. la altura del líquido3 de la medida. 'i el resultado es más que ?.= psi. ,onsiderar agrandar la línea de salida del condensador. 'i el contenido del drum de reflu$o está más caliente que la salida del condensador! entonces el vapor esta sobrepasando el condensador.
CONDENSADORES CON LAO DE 4APOR En una debutani"adora! se perdió la abilidad para condensar los productos del tope! una investigación mostró que el instrumento de purga con nitrógeno abía sido recientemente instalado. El nitrógeno se abía acumulado en el tope del casco del condensador! y el gas cubrió los tubos de enfriamiento de agua y se abrió un venteo del tope del casco del condensador! y se restableció la capacidad del condensador. 9otar que una peque&a cantidad de gases no condensables pueden efectivamente enla"ar el vapor de condensador de casco y tubos.
LISTA DE 4ERI#ICACIÓN PARA SOL%CIÓN DE PRO2LE0AS EN TORRES DE DESTILACIÓN Ca(acidad de bande*a. GacPup de la ba$ante. -nundación $et. Gande$as taponadas. -ncremento del anco de ba$ante. *isminución de la altura del líquido en la bande$a. Gande$as de válvulas tipo venturi. evisar factor incipiente de inundación
Reboilers ,irculación de termosifón reducida. 8ugas a trav/s de la bande$a +aponamiento de reboilers *rena$e del vapor condensado 'ello de condensado da&ado Probleas de re)lu*o 8uga en válvula de control del sobrepaso de vapor etrolavado en condensadores -ncremento del ángulo de inclinación de las paletas de los ventiladores en enfriadores de aire. ecirculación del aire. *renado del líquido del condensador. eflu$o subenfriado. #ágina !@ de ""
,ondensadores vapor)bound
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,A#Q+4LO 6@
TORRES DE 4AC5O Ruien quiera que aya destilado petróleo crudo en el laboratorio ba$o presión atmosf/rica apreciara la importancia de una torre al vacío. A alrededor de H?)J??F8! el líquido residual iniciará a producir vapores amarillentos. Esta es una indicación de craqueo t/rmico que degrada la calidad de destilados vírgenes y gasóleo pesado Las torres de vacío son utili"adas para destilar los componentes pesados del crudo evitando la excesiva temperatura. La torre primaria de las refinerías tiene previsto fraccionar nafta! Perosene y aceite de ornos. La torre de vacío sólo tienen una función( producir :asóleo limpio! de alto punto de ebullición de forma sostenida para plantas de craqueo o para alimentar a plantas de lubricantes. La "ona flas de una torre de vacio típicamente opera a 6)7 psi y J7?F8 asta JH?F8. La torre esta dise&ada para tolerar un peque&o grado de craqueo t/rmico. 4n esquema de una típica torre de vacio es mostrado en la figura 6@)6. Algunos de los problemas más comunes! asociados con la operación de una torre de vacío! son( • • • • • • • •
Alta presión de la "ona flas. :asóleo negro. Excesiva producción de slop Sax Alta viscosidad de fondos. *eficiencias en los eyectores. #roblemas de 9#' en bombas de fondos. +emperaturas ba$as del gasóleo extraido. 8allas en líneas de transferencia.
Perdidas de (resión en succión de bobas de )ondos. #roveer de 9'# positivo! para alguna bombas centrifugas! puede ser un negocio difícil. Las dificultades para las bombas de fondos de la torre son magnificas. 4nas pocas libras de vapor que cualquier otra bomba abría pasado inadvertida! en una bomba de vacío pasa a ser totalmente gaseosa. Esto es porque la ba$a presión de succión absoluta expande una peque&a cantidad de vapor en un volumen muy grande. *e otro lado! las posibilidades de introducir vapor dentro de la succión de una bomba de fondos de una torre de vacío son más numerosas que en otros servicios.
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#I$%RA !3.!. %na torre de /acio de una unidad t,(ica de crudo. Especialmente durante los arranques! iniciar y mantener buenas condiciones de succión para bombas de fondos es una de los aspectos más difíciles de la operación de una torre de vacío. Algunos de los problemas más significativos son discutidos y resumidos aba$o en la figura 6@)7. QUENCH INS%#ICIENTE
>ucas torres de vacío están provistas de un medio para reducir la temperatura de los fondos en 7?)=?F8. Esto se logra con la circulación de quench como se muestra en la figura 6@)7. El propósito del quench es reducir el craqueo t/rmico de productos de fondos y suprimir la vapori"ación en la succión de la bomba de fondos. 'i la bomba de fondos esta perdiendo succión por insuficiente 9'#! es necesario incrementar la circulación de quench o reducir la temperatura de retorno del quench tambi/n ayudara.
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#I$%RA !3'&. Pro/eer la coluna de succión (ara la boba de )ondos de una torre de /ac,o es di),cil. T$O PAN O4ER#LOBS 'lop Tax 2+:O3 es un vapor de aceite negro retirado inmediatamente sobre la "ona flas de la torre de vacío. Esta conformado por 7?)=?< de residuo y H?)7?< de gasóleo. Este material relativamente ligero podría causar que las bombas de fondos caviten cuando desborden las trampas de la bande$a a una proporción no uniforme. educir el nivel de 'lop Tax en la bande$a! para ver si esto ayuda al problema del 9'# en la bomba de fondos.
ACEITE DE PRENSA ESTOPA El propósito del aceite de la prensa estopa es mantener el aceite negro le$os del sello de las bombas. 4na presión de aceite en la prensa estopa de 6? psig es usualmente suficiente. 9aturalmente una peque&a cantidad del aceite de la prensa estopa goteara a trav/s del sello dentro la corriente de fondos. Esto no tiene transcendencia. 'i la fuga del aceite de la prensa estopa se vuelve excesiva! porque tiene un sello defectuoso o la presión de aceite es excesiva! la bomba de fondos perderá succión. El aceite de la prensa estopa! el que es un idrocarburo relativamente ligero! se vapori"a al entrar en contacto con los residuales calientes. Este vapor genera gases acia la bomba. +rate de a$ustar la presión de aceite de la prensa estopa para reducir cavitación. 'i esto ayuda! pero solo a muy ba$a presión del aceite de la prensa estopa! el sello de las bombas es malo. 4n refinero substituirá un gasóleo pesado de vacío por un aceite mas ligero en la prensa estopa! para eliminar este problema.
CANASTILLA DE S%CCIÓN #ágina &3 de ""
El craqueo t/rmico eventualmente produce coque en una torre de vacío. El coque se arrastra dentro de la succión de las bombas y tapa canastilla. 4na investigación simple de presión identificara este problema. >edir la presión a la succión de las bombas y en un punto en la bota encima del nivel de líquido. La diferencia en presión! expresada en pies de liquido 2asumir ?.J=)?.H? gravedad específica3 debería igualar la altura del líquido en la bota sobre la bombas de succión. 'i la diferencia de presión es bastante menor que el delta de nivel! la canastilla de la bomba esta tapada y debe ser limpiada.
ESCAPE DE AIRE 4n escape algo peque&o en el de la tubería de succión de la bomba causará perdida de 9#'. ,ualquier cantidad de aire aspirada reducirá la densidad promedio de los residuos en la bota y línea de succión. La reducción en la densidad cortara la columna del líquido y usualmente ocasionará la cavitación. En una unidad el flotador de nivel en la bota saltara en 6 o 7 pulg cuando las bombas de fondos inician a perder 9#'. 4n ingreso de aire en la línea de succión fue encontrado despu/s. El aire puede tambi/n ingresar a la succión de las bombas a trav/s de un mal sello. -ntentar incrementar la presión de aceite del sello para ver si esto suspende la cavitación. +ambi/n es posible que el pobre sellado se deba a una fuga en el sello. 'in embargo es necesario tomar precauciones porque esto podría causa un incendio de aceite de sello.
ALTA PRESIÓN EN LA ONA #LASG La reducción del residuo en una torre de vacío es función de la temperatura y la presión de la "ona flas. 4n aumento en esta presión incrementará la producción de residuo a expensas de gasóleos más valiosos. La erramienta clave para solucionar problemas de presión en la "ona flas es una investigación de presión en la torre de vacío. El tiempo para iniciar esta investigación es solo despu/s del arranque cuando las bande$as! demister y sistema de eyección están limpios y en buenas condiciones. La presión se mide me$or con un manómetro de vacío portátil lleno de mercurio. 4sar un indicador de presión reducirá la exactitud de la perdida de presión observada. ,onfiar en los indicadores de presión instalados permanentemente para datos de caída de presión no dará resultados confiables. La figura 6@)@ resume dos mapeos de presión en torres de vacío( uno reali"ado solo despu/s del arranque de la unidad y el otro un a&o despu/s de operación. La data muestra claramente que el demister esta parcialmente tapado con coque. La data de caída de presión debería ser normali"ada por corrección de las tasas de flu$o y presión como sigue( ∆ P n = ∆ 6 2
M 6 xV 6
M b xV b
3
*onde( #ágina &" de ""
M 6 U
8lu$o másico a trav/s de la torre. V U Velocidad superficial a trav/s de la torre. M U 8lu$o másico de la base de datos a la ∆# comparada. ∆ P U ,aída de presión medida. ∆ P U ,aída de presión normali"ada. 6
b
6
n
Alguna restricción para el flu$o de vapor sobre la "ona flas debe incrementar la presión de la "ona flas. 4n incremento en la ∆# a trav/s de bande$as lavadas ba$o el demister o a trav/s del mismo demister es casi seguro debido a acumulación de coque. 4n flu$o de aceite de lavado abundante 2ver figura 6@)63 inibirá la formación de coque! pero desde luego! esto incrementara la producción del indeseable 'lop Tax. 4na ve" formado el coque! solo una parada corregirá la situación.
#I$%RA !3'3. El a(eo de (resiones es cla/e (ara solucionar alta (resión en Hona )lash. :randes incrementos en ∆# a trav/s del tope o del fondo de las bande$as acumuladoras es una indicación de inundación. 4na reducción en la tasa de líquido bombeado podría corregir el problema. 4na alta presión de tope en una torre de vacío es el resultado del ingreso de aire! excesiva producción de idrocarburos gaseosos debido al craqueo t/rmico! o a varias deficiencias del eyector. #ágina &: de ""
CRA6%EO T1R0ICO -ncrementar la temperatura de la "ona flas reducirá la salida de gasóleo en el residuo. *esafortunadamente! la tasa de craqueo t/rmico se duplica por cada de 7?)7=F8. +al como se muestra en la figura 6@)C! la producción de no condensables
#I$%RA !3'". Auento de la te(eratura de la Hona )lash (uede .. J)altaK
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,A#Q+4LO 6H
PRO2LE0AS ADICIONALES DE DESTILACIÓN La destilación de idrocarburos ligeros es una característica integral de casi todas las unidades de producción de gasolina. La canasta típica de productos de estas plantas podría ser( • • • • •
#ropano para :L#. -sobutano para alimentación a planta de alquilación. 9)butano para controlar la presión de vapor de la gasolina. 9afta liviana para me"clar con la gasolina. 9afta pesada para alimentar a la unidad de reformación catalítica.
,ada uno de estos productos tiene una especificación a satisfacer. En adición a la calidad consistente! cada corriente debería funcionar a estado contaste. La transferencia de productos a tasas erráticas entre unidades a tasas trastorna la operación de las unidades posteriores.
Inducción del reboiler a )oración de es(ua inundación La inundación del interior de una torre de destilación! es la causa usual para reducir la eficiencia de fraccionamiento. En teoría la eficiencia de destilación debería empe"ar a declinar con un H?< a I?< de inundación. 'in embargo! mucas columnas muestran características de inundación con un ? a J?< de capacidad de inundación. Las observaciones de campo revelan que una causa com%n de inundación prematura en fraccionamiento de idrocarburos son los altos niveles de espuma generados en los fondos de las torres alimentados por reboilers de circulación. Estos altos niveles no se pueden observar a simple vista y por lo tanto tienden a no ser detectados.
Identi)icación de (untos de inundación inci(iente. El t/rmino inundación incipiente es el punto dentro de la operación de una torre de bande$as cuando la altura del spray del líquido de la bande$a inferior comien"a a afectar a la bande$a superior! al extenderse el arrastre se reduce la eficiencia del fraccionamiento. La inundación incipiente en una columna empacada es aquel punto en la operación de la columna! al cual el liquido ascendente se incrementa a asta reducir la eficiencia de fraccionamiento. *esde el punto de vista de un operador! la inundación incipiente es observada como sigue( • 4n incremento del reflu$o y del duty del reboiler no me$ora el fraccionamiento y podría incluso disminuir la separación. •
La diferencia de temperatura entre los fondos y el tope de la torre es reducida cuando las tasas de reflu$o y reboiler son incrementadas! y el perfil de temperatura de torres se vuelve errático.
•
4na peque&a! lenta reducción en la presión de la torre reduce la eficiencia del fraccionamiento.
•
4n peque&o incremento en el duty del reboiler causa un incremento desproporcionalmente grande del ∆# de la torre! el cual tambi/n se vuelve errático. #ágina &< de ""
•
Los operadores de planta experimentados! a menudo se refieren a esta situación como 0primer punto1! 0salto1 o 0punto optimo1 de la columna. El t/rmino para este síntoma es inundación incipiente. #ara mucos separadores de nafta de refinería! debutani"adoras! o depropani"adoras! el punto de inundación incipiente 2i.e. la capacidad a la cual la torre traba$a me$or3 debería ser alcan"ado a H?)I?< de la capacidad de inundación calculada. >ucas torres! sin embrago! reportan me$ores traba$os a capacidad de solo ?)J?< de inundación.
NI4ELES ALTOS DE L56%IDO CA%SAN IN%NDACIÓN La experiencia en campo a mostrado que la causa más com%n de inundación en torres mecánicamente intactas es el ensuciamiento. 4na segunda opción cercana es altos niveles de líquido de fondos. #ara torres que utili"an circulación for"ada desde el reboiler! un alto nivel de líquido causará la inundación de la torre. ,uando el nivel del líquido en los fondos de una columna alcan"a a la boquilla de retorno del reboiler! el líquido en el fondo de la columna es levantado fuertemente por los vapores el reboiler. El líquido es soplado contra la superficie inferior de la bande$a de fondos. Luego la inundación progresara asta la parte superior de la torre! el nivel del líquido cubriendo la boquilla de retorno del reboiler causará la completa inundación de la torre. #ara la mayoría de reboilers de un paso y mucos de circulación de termosifón 2ver figura 6H) 63! un alto nivel de líquido cubriendo la boquilla de retorno de vapor del reboiler retardará la circulación de termosifón y causa una precipitada perdida de duty en el reboiler! en ve" de inundación de la torre.
#I$%RA !='!. %n reboiler terosi)ón de un (aso
#I$%RA !='&. %n reboiler circulación de terosi)ón
de
E#ECTOS DE LA ESP%0A En 'istemas su$etos a ba$a tensión superficial! como deetani"adoras y absorbedores refrigerados! o particularmente regeneradores de amina o despo$adores de agua ácida; es conocida la inundación prematura debido a la formación de espuma. 'in embargo! #ágina &= de ""
mucos otros sistemas de tensión superficial más alta! relativamente limpios! tambi/n parecen presentar inundación prematura. La -nundación inducida por espuma a sido considerada como la que ocurre en las bande$as o dentro de los lecos empacados. 'eguramente esto es correcto para mucas columnas! sin embargo! la causa de la inundación prematura es un alto nivel de espuma formado en el fondo de un torre. ,uando este nivel de espuma alcan"a la boquilla de retorno de vapor del reboiler! resulta la inundación. Esta espuma es generada en el reboiler. La cantidad de espuma formada esta en función de la tensión superficial del sistema! particularmente! el duty del reboiler y mas importante! la tasa de circulación a trav/s del reboiler. El lector puede desear reali"ar el siguiente experimento para escenificar este efecto. Llevar una ta"a de agua a ebullición rápida. Adicionar una tasa de partículas para ebullir el agua 2tro"os peque&os de sulfuro de ierro! cocoa! finos de coque! etc3. La espuma resultante es un e$emplo de lo que sucede en el reboiler.
#I$%RA !='3. %n reboiler de circulación )orHada. Experimentos de campo en el reboiler de un absorbedor de circulación for"ada 2ver figura 6H)@3 y el reboiler de una depropani"adora de circulación de termosifón! indican que incrementos en la tasa de circulación del líquido a trav/s del reboiler tambi/n promueven la formación de niveles de espuma en los fondos de una torre. Aparentemente! la turbulencia adicional impartida al fluido en ebullición por el incremento de la circulación acelera la formación de espuma en el reboiler.
INDICADORES ETERNOS DE ESP%0A 8igura 6H)C indica que una se&al de espuma en el fondo de una fraccionadora; que son! niveles de liquido separados. La espuma por si misma no aparece en un indicador de vidrio montado! o indicador de nivel. ,uando la espuma fluye dentro del indicador de vidrio! el contacto entre la superficie del nivel del envase causa que la espuma se separe en líquido y vapor. *e esta manera solo el líquido puede ser observado en el indicador de vidrio. La densidad de #ágina &@ de ""
este líquido puede ser de dos a tres veces la densidad de la espuma dentro de la torre. Alternativamente! el nivel de espuma dentro de la torre es dos a tres veces más alto que el nivel del líquido en el indicador de vidrio.
#I$%RA !='". El ni/el de se(aración de l,8uido es una seMal de es(ua. 'i la espuma atraviesa enteramente las llaves del indicador de vidrio! el líquido colado observado en el indicador de vidrio no indicará el nivel de espuma en la torre! más que el nivel en el indicador de vidrio indicara la densidad de la espuma como sigue( L6 L 7
=
D 2 foam3 D 2 Líquido3
*onde( U 9ivel del líquido en el indicador de vidrio ba$o la llave de la torre L U *istancia entre llaves. * 2foam3 U *ensidad de la espuma. * 2líquido3 U *ensidad del líquido. L6 7
Los m%ltiples niveles de líquido mostrados en la figura 6H)C! a menudo observados en unidades de proceso! no pueden de indicar niveles m%ltiples o divisiones en los niveles de líquido en la columna. Estos simplemente indican espuma sobre el tope de la llave más alta del indicador de vidrio. Los niveles progresivamente más altos en la parte inferior de la columna. Las fuentes de precalentamiento de la carga a la torre! fueron vapor agotado de presión variable. El flu$o de vapor al precalentador no fue ni medido! ni controlado. 4na investigación t/cnica reveló que cuando la presión de vapor gastado 2y temperatura de condensación3 aumento! la abilidad de la torre para fraccionar declinó. El problema fue resuelto por la instalación de un la"o de control de flu$o en el vapor agotado para el precalentador. La inestabilidad de la torre la cual abía originalmente sido pensada se debido a falla de instrumentación demostró ser un problema del proceso.
#lu*o (egado en el riser #ágina 3 de ""
La operación errática de una torre de destilación podría deberse a un flu$o desigual de la me"cla líquido vapor en una tubería vertical en funcionamiento. 4n e$emplo de tal arreglo es la combinación dibu$ada del condensador drum de reflu$o de la figura 6H). El drum de reflu$o esta elevado sobre el condensador. El efluente desde el condensador consiste de una me"cla líquido vapor. La línea entre el condensador y el drum es llamada riser. 'i la velocidad en el riser es muy lenta! las dos fases se separaran! formándose una columna de líquido! la que creara presión contra la torre de destilación. El riser luego se llenara de líquido. Este tipo de flu$o pegado causa fluctuaciones en la presión de la torre. Otra instancia donde se presenta el flu$o pegado en procesos de destilación son la salida de reboiler de termosifón y las líneas de alimentación parcialmente vapori"adas. 'i se encuentra que! incrementando la tasa o temperatura en el riser! me$ora la estabilidad de la operación de una torre! un flu$o pegado debería ser supuesto. #ara confirmar esta sospeca! calcular la velocidad lineal en el riser. 4na regla probada es que por encima de 7= piesseg! flu$o pegado es improbable! por deba$o de 6= piesseg! flu$o pegado es probable. #ara superar la inestabilidad del flu$o pegado! alguna columnas de destilación están equipadas con riser duales. 4n riser de diámetro peque&o se utili"a a ba$os rendimientos. A altas tasas! el riser de mayor diámetro es puesto en servicio.
GIDROCAR2%ROS EN #ASE 4APOR Ruien esta solucionando el problema! debería estar preparado para encontrar lo inesperado. En una refinería la integridad de cualquier sistema debería ser sospecosa. -ncluso la composición de vapor ordinario! o una ba$a presión de cabe"a deberían ser cuestionados. En cierta depropani"adora el reboiler traba$aba con vapor de @? libras. 4na ma&ana un peque&o precalentador de alimentación! que tambi/n usaba vapor de @? libras! fue puesto en servicio. Luego se perdió el control sobre la presión de la depropani"adora.
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#I$%RA !=';. Ele/ación del dru de re)lu*o sobre el condensador (uede causar )lu*o (egado en el riser Ambos! la presión de la torre y la tasa de reflu$o declinaron simultáneamente. El flu$o de vapor del reboiler se volvió extremadamente errático. Los productos de tope y de fondo salieron fuera de especificación. -nicialmente el operador pensó que abían experimentado una falla de instrumento. +odos los controles fueron cambiados de control automático a manual. Este eco no ayudó. ,omo una regla! si la operación estable no puede ser restaurada corriendo la torre en manual! es seguro asumir que ay fallas de proceso fundamentales.
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#I$%RA !='<. Tubos con )uga en el (recalentador causaron inestabilidad de la o(eración de la torre En este punto un ingeniero de operaciones de proceso fue consultado. Observando que el flu$o de vapor del reboiler fue la variable de proceso mas errática! el reviso el reboiler. El noto que le duty del reboiler fue parcialmente restaurado! se abrió el venteo en el tope del canal del cabe"al 2i.e. el lado del vapor3. 'e revisó el venteo del vapor con un probador de gases y se encontró que contenía porcenta$es de idrocarburos. ,oncluyendo que el reboiler abía desarrollado un escape en uno de los tubos! se aconse$ó al gerente parar la torre y reparar el reboiler. El depropani"ador fue sacado de servicio y desensamblado. 8ue encontrado en perfectas condiciones. El reboiler fue puesto de regreso $unto a la torre y luego entró en servicio. La torre inmediatamente mostro características de operación inestables. Rue acer entoncesB Los ingenieros de operación obtuvieron una muestra del gas de venteo desde el canal del cabe"al y lo sometieron a cromatografía de gases en el laboratorio. Los resultados del laboratorio fueron 6=< propano! @?< isobutano! =?< nbutano y =< pentano. El ingeniero reconoció esta distribución de composición como id/ntica a una composición de alimentación del depropani"ador. El luego recordó que los problemas de inestabilidad de la torre iniciaron el mismo día que el precalentador de alimentación fue puesto en línea. El ingeniero de operación abía bloqueado la válvula de ingreso de vapor para el cierre del precalentador. *entro de 6? minutos! salía vapor en ve" de gas del venteo del reboiler! el flu$o de vapor de la línea de salida del reboiler y la presión del depropani"ador comen"ó a aumentar. 4na ora despu/s! se restableció la operación de la torre. #ágina 33 de ""
El precalentador tenía varios tubos con escape. Los idrocarburos líquidos abían ingresado con la corriente de cabe"a del vapor gastado! a trav/s de estos tubos da&ados y se abían vapori"ado. Los idrocarburos líquidos fluyeron dentro del reboiler del depropani"ador con la corriente de vapor de ba$a presión. El propano y el butano fueron desde luego muy volátiles para condensarse. Los tubos del reboiler se llenaron de propano y butano! reduciendo su capacidad para transferir calor entre el vapor gastado condesado y la depropani"adora. El punto de esta istoria es que la integridad de alguna pie"a de un equipo de proceso nunca debería ser dada por sentada. Los tubos en los intercambiadores de calor son propensos a fugas. Ese punto es enfati"ado por el siguiente incidente.
CA%SAS DE TRASTORNO DE CALOR INTE$RADO En mucas refinerías grandes! las principales unidades de destilación de productos ligeros están asociadas con una unidad de crudo! planta de craqueo! unidad de coquificación! o reformación de la nafta. La ra"ón para esto es la conservación de la energía. #or e$emplo! en un fraccionador principal de 8,,4! grandes cantidades de calor deben ser removidos para mantener el balance de calor en el fraccionador. Este es logrado circulando vapor de aceite caliente 2reflu$o3 desde una bande$a intermedia a trav/s de una serie de intercambiadores de calor 2ver figura 6H)H3. #roveyendo calor a los reboilers de una corriente caliente del reflu$o! el calor in%til del fraccionador principal es venta$osamente utili"ado. En el otro lado dos unidades de proceso integradas calóricamente generan la oportunidad de resolver problemas interesantes. La siguiente istoria no es un mito; esto realmente pasó. 4na ma&ana cuando me sent/ tranquilamente en mi escritorio en las $efaturas corporativas! el $efe paso a verme. +enía ciertas noticias desagradables. 4no de los gerentes de la refinería de la compa&ía estaba planeado visitar nuestra oficina para discutir la calidad de algunas de las plantas nuevas que abían sido construidas en su refinería. ,omo un e$emplo de cómo no dise&ar una unidad! el abía escogido una nueva planta de gas para la cual /l abía eco el dise&o del proceso. El gerente de refinería tenía solamente una que$a( 0 la planta de gas no funcionaría1.
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#I$%RA !='=. Aceite caliente desde el )raccionador suinistra calor a un reboiler de una (lanta de gas. 8ui enviado inmediatamente a la refinería para determinar cuales aspectos de mi dise&o estaban fallando. 'olamente! debía aprender que ice mal para no volver a repetirlo. 4na ve" llegando a la refinería! me encontr/ con los supervisores de los operadores. Ruienes me informaron que! mientras el dise&o del proceso estaba muy bien! la operación de la planta de gas era inestable debido a una falla en la instrumentación. 'in embargo! los ingenieros instrumentistas de la refinería pronto abrían resuelto el problema. *espu/s! me encontr/ con personal operativo de la unidad. Ellos fueron más específicos. abían observado que la bomba de circulación de reflu$o 2ver fig 6H)H3 tenia problemas. 'iempre que aumentaran el flu$o de aceite caliente al reboiler de la debutani"adora! la planta de gas se desestabili"aba. El *uty del reboiler y la tasa de reflu$o se volvía errático. Lo más perceptible era que la presión de descarga de la bomba de circulación de aceite caliente fluctuaba ampliamente! indicando cavitación. Ellos creyeron que la solución era una bomba que requiera un 9#' menor. 2ver capitulo 663. Estos informes contradictorios me de$aron frio. *e todos modos! la clave para una solución exitosa de problemas es la observación personal. Así que decidí acer una prueba de campo. #ágina 3: de ""
,uando llegue a la planta de gas! el absorbedor y la debutani"adora fueron puestos en servicio lentamente! pero no operaron correctamente. La figura 6H)I muestra la configuración de la planta de gas. La tasa de reflu$o de la debutani"adora era muy ba$a y esto imposibilitó un fraccionamiento significativo. +ambi/n! la presión de la debutani"adora fue 6?? psig menor que la de dise&o. 'e inicio la producción de sólo una peque&a cantidad de vapor en el reflu$o del drum! pero no liquido. El propósito de la planta era recuperar propano y butano líquidos! el gerente tenía ra"ón. ,omo primer paso! me presente ante el $efe de los operadores y les explique el propósito de mi visita. Luego de tener el permiso para correr mi prueba! cambie todos los instrumentos en el panel de control de la planta de gas de automático a manual. En secuencia! incremente el flu$o de aceite pobre al absorbedor! la tasa de reflu$o de la debutani"adora! y el flu$o de aceite caliente al reboiler de la debutani"adora. La planta de gas presento un comportamiento apropiado. La bomba de circulación de aceite caliente fue puesta en servicio a presión y flu$o estable. A%n! la planta producía solo vapor en el drum de reflu$o de la debutani"adora. Esto se debía a la ba$a presión de la debutani"adora! la que no lograba condensar el producto ,@),C. Al cerrar lentamente la válvula de venteo de vapor del drum de reflu$o! increment/ gradualmente la presión de 6?? psig asta los 7?? psig de dise&o. -nesperadamente! a 6@? psig el flu$o de aceite caliente al reboiler de la debutani"adora inició a vacilar. A 6@= psig ! la presión de la debutani"adora y el flu$o de aceite caliente cayeron a cero. Esto no tuvo absolutamente ning%n sentido. ,omo podía la presión de la debutani"adora influenciar en el flu$o de aceite calienteB #ara recuperar el control de la planta de gas! cort/ el reflu$o a la debutani"adora y el flu$o de aceite pobre al absorbedor. egres/ al punto de partida. Asomó la idea de una falla independiente. epetí la secuencia dos veces más. En una ocasión! todo salió bien asta que la presión de la debutani"adora empe"ó a subir. #ara esto ya eran las @ a.m. era tambi/n tiempo para renunciar e ir a casaB
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#I$%RA !='@. Reboiler con )uga de la debutaniHadora trastornó la (lanta de gas. 'ólo entonces! note una conmoción en el panel de control del fraccionador principal. Los operadores allí indicaron que el fraccionador fue inundado otra ve" por tercera ve" esta noce. La producción de nafta desde la fraccionadora se abía duplicado por ninguna aparente ra"ón. En cada solución de problemas asignada ocurre siempre ese momento! el momento de la penetración. +odas las pie"as caen dentro del lugar! y la verdad es rebelada en su simplicidad total. ,ort/ la presión de la debutani"adora de nuevo a 6?? psig e inmediatamente la inundación en la fraccionadora principal ba$o. Los operadores luego cerraron la válvula de bloqueo de ingreso a lado de aceite caliente del reboiler y abrieron un drena$e. 'alió nafta en lugar de gasóleo. Esto indicó que el reboiler de la debutani"adora tenía un tubo roto. 'iempre que la presión de la debutani"adora alcan"ó los 6@? psig! la presión del reboiler excedía la presión del aceite caliente. El punto de ebullición relativamente ba$o de la nafta luego fluyó dentro del aceite caliente y se flaseó. Esto generó un gran volumen de vapor que luego salió del reboiler con el aceite caliente. Los vapores de nafta pasaron a la fraccionadora principal e inundaron la torre. Así! la causa de la inestabilidad de la planta de gas no fue ni un dise&o de proceso erróneo! ni falla de instrumentos! o deficiencia en el bombeo. Esta fue una falla bastante ordinaria del tubo de un reboiler. #ágina 3< de ""
Causas de inestabilidad en la co(osición. Las columnas de destilación están dise&adas para fraccionar entre componentes ligeros y pesados. #or e$emplo! la carga a un gran separador de butano fue( ,omponente no clave ,omponente ligero clave ,omponente clave pesado ,omponente no clave
=< propano C?< isobutano C=< normal butano 6?< pentano
4na torre bien dise&ada debería tener la capacidad para mane$ar oscilaciones amplias en la proporción de componentes ligeros o pesados. 'in embargo! grandes incrementos en la composición de los componentes no claves afectan la estabilidad de operación de mucas torres. Los ingenieros de procesos deberían tener la abilidad para identificar tales trastornos como signos externos a la torre. La me$or erramienta! para la solución de problemas! para identificar la inestabilidad en torres de destilación de productos ligeros debido a la variabilidad en la composición de la alimentación es la cromatografía de gases en línea. 'i se pueden obtener cromatografías de gases confiables de los productos de tope y fondos! estas deberían ser usadas para controlar directamente la operación de la torre. #ara una torre su$eta a oscilaciones en composición de componentes no claves! un anali"ador con la"o de control cerrado! será una forma de me$orar la estabilidad de la torre. El siguiente e$emplo amplia este punto.
#ALLA EN EL CONTROL DE TE0PERAT%RA #ara el separador de butano citado arriba! la especificación crítica no fue más que 6?< normal butano en el producto de tope. 'e encontró que se controlaba este requerimiento controlando la temperatura de tope del separador a 6C?W8. El producto tenía la siguiente composición( 66< propano! JI< isobutano! y 6?< normal butano. Aora suponer que la unidad de crudo de la refinería que provee la carga al separador de butano inesperadamente incrementa el contenido de butano de su producto isobutano. Asumir que este cambio aumentó el contenido de propano en la alimentación al separador a 7?<. 'i la temperatura de tope de la torre es mantenida a 6C?F8! la composición del producto isobutano sería 6@< propano! < isobutano! y 76< normal butano. En efecto! el componente no clave propano está arrastrando el componente clave pesado! normal butano! acia arriba de la torre. *espu/s de todo! el producto destilado! debe estar a su punto de rocío cuando salga de la torre como vapor. El contenido normal de butano del producto isobutano aora excederá considerablemente las especificación de 6?<. #ara el personal operativo! esto parece como si los controles del separador ubieran fallado repentinamente. El ingeniero de procesos debería! sin embargo! reconocer esto como un problema de comunicación entre los centros de control de la unidad de crudo y del separador de butano.
ECESI4A CAPACIDAD DE CONDENSACIÓN #ágina 3= de ""
La torre estaba limitada por la capacidad de condensación; es decir! los intercambiadores de calor usados para condensar el reflu$o y los destilados fueron ligeramente inadecuados. 'iempre que el contenido de propano del tope se incrementaba! la temperatura del punto de burbu$a del líquido en el drum de reflu$o caía. Esto i"o más difícil condensar los vapores de tope de la torre. ,omo el separador estaba equipado solamente para productos líquidos! la capacidad para condensar! incluso una peque&a fracción! de vapores de tope afectó la torre. En adelante se narra lo que sucedió( #rimero! el nivel de líquido en el drum de reflu$o cayó a medida que se acumulaban vapores no condensados. Luego los operadores redu$eron la tasa de reflu$o para prevenir que la bomba de reflu$o cavite. Luego! la presión del separador aumentó rápidamente! y las válvulas de alivió soplaron. Esto venteó efica"mente los idrocarburos ligeros de la torre y permitió a los operadores recuperar el control. Este incidente ense&ó que una torre de destilación que produce sólo productos líquidos en el tope! debe tener capacidad para condensación en exceso! disponible. -ncluso! si en un momento sólo una peque&a fracción del tope no puede ser condensado! el control de la torre será enteramente perdido.
Stea Reboiler Condensate Seal.
#I$%RA !='!. Sistea de drena*e de /a(or condensado del reboiler9 con diseMado ina(ro(iado. *e esta manera uno pensaría que los ingenieros abrían desarrollado una fina ciencia para el dise&o del reboiler. 9ada esta mas le$os de la verdad. Los reboilers de vapor son una de las principales causas de inestabilidad de la torre. X los problemas parecen estar relacionados a una función( drenado del vapor condensado saliendo del canal del cabe"al del reboiler 2ver figura 6H)6?3. O el condensado no drena libremente del reboiler y se acumula sobre los tubos! o el sello de condensado está soplado y la eficacia del trasferencia t/rmica es deteriorada. #ágina 3@ de ""
La idea del sello de condensado es bastante familiar para los operadores. #ara los ingenieros que carecen de experiencia en el campo! este es un concepto sorprendente. La 8igura 6H)6? muestra el nivel de agua del canal del cabe"al. Este es el sello de condensado. 4na ve" que este nivel abandona el canal del cabe"al y el vapor es soplado a trav/s de la válvula de control! el duty de transferencia de calor del reboiler se reduce drásticamente. 'i un operador abre la válvula de control demasiado! puede drenar enteramente el canal del cabe"al. ,omo el nivel de condensado en el canal del cabe"al cae! más tubos están expuestos al vapor de condensación. Esto incrementa el duty del reboiler. 'in embargo! cuando el sello de condensado sopla! el duty del reboiler cae tan agudamente que trastorna la operación de la torre.
DRENA$E DE CONDENSADO 0AR$INAL En un reboiler que utili"a vapor de ba$a presión! el flu$o de vapor al reboiler completa un ciclo. Las oscilaciones repetitivas en el duty del reboiler desestabili"aron la operación de la torre. Las revisiones repetitivas de los controles e instrumentos no revelaron ninguna deficiencia. El problema era un simple fenómeno idráulico. Los controles de la torre son mostrados en la 8igura 6H)66. 9ote que la presión del vapor suministrado es @? psig! y la presión de columna de la colección del condensado es 7? psig. El flu$o de vapor es controlado por una válvula reguladora en la línea de ingreso de vapor al reboiler.
#I$%RA !='!!. 4ariación de (resión del canal del cabeHal (roue/e drenado del condensado. La ra"ón para el ciclo del flu$o de vapor fue revelada colocando un indicador de presión en el canal del cabe"al. Luego se observo en secuencia los siguientes eventos( #ágina " de ""
6. El egulador ,ontrolador de +emperatura 2+,3 mantenía la temperatura de salida del reboiler ordenó a la válvula de control el ingreso de vapor para retomar el punto de equilibrio. 7. ,uando la válvula de control cerró! la presión del canal del cabe"al cayó a 76 psig. @. ,uando la presión cayó! fue más difícil drenar desde el canal del cabe"al el vapor condensado. El nivel de condensado aumentó y sumergió varios tubos. C. Los tubos sumergidos no estaban disponibles para transferir calor. ,omo consecuencia! el duty del reboiler! y por lo tanto la temperatura de salida del reboiler cayeron. =. La +, luego abrió la válvula de control de ingreso de vapor! y la presión del canal del cabe"al aumentó rápidamente a @? psig. . La presión del canal del cabe"al mas alta for"ó a ba$ar al nivel de condensado y rápidamente se incrementó el duty del reboiler a un nivel alto indeseable. La temperatura de salida del reboiler luego salto! y el ciclo se repitió de nuevo. Los dinamismos de este sistema fueron tales que nunca ubiera podido ser resuelto sin calibrar los instrumentos. Al final! la válvula de control de la entrada de vapor fue retirada. Luego se controló la temperatura de salida del reboiler por la acumulación de condensado dentro del canal del cabe"al y los tubos de transferencia de calor sumergidos. Esto se logró instalando un válvula de control en la línea de condensado despu/s de la trampa de vapor existente. El arreglo corregido aseguró que la presión en el canal del cabe"al del reboiler fuese constante en @? psig. A esta presión! nunca ubo dificultad en el drenado del condensado dentro de colector del cabe"al.
Inundación de la torre ,uando se sobrecarga completamente una columna de destilación de bande$as! la torre se vuelve no sólo inestable! sino inoperativa. El líquido puede ser llevado al tope de la torre debido la inundación de la ba$ante de la bande$a o puede resultar una caída aguda en la eficiencia de la bande$a 2inundación $et3. 4na condición marginal de inundación resultará sin embargo en una operación inestable de la torre. Oscilaciones inexplicables en la tasa de los productos de fondos o en el nivel de fondos significaría que las bande$as están alternativamente cebándose y vaciándose. 4na caída s%bita en la diferencia de temperatura entre el tope y el fondo de la torre! seguidos por un retorno a el perfil normal de temperatura! indican una inundación marginal. La me$or forma para solucionar los problemas en una torre es con una investigación del diferencial de presión a trav/s de las bande$as 2,apítulo 6I3.
RE2OILER TER0SI#ON Las fluctuaciones en el duty del reboiler tendrán los mismos efectos en la torre de destilación como en el bombeo gasolina con el pedal del carro 2es decir! cambios desagradables en la aceleración3. 4na configuración típica de termosifón se muestra en la figura 6H)67. La diferencia de densidad entre la línea llena de líquido en la entrada al reboiler y la me"cla de vapor líquido en la línea de salida acia el fluido del proceso a trav/s del reboiler. #ágina "! de ""
#I$%RA !='!&. Suergir la bo8uilla de retorno del /a(or del reboiler causa o(eración err7tica de la torre. ,uando el nivel del líquido del fondo de la torre alcan"a la boquilla de retorno del reboiler! la circulación de termosifón es inibida. ,ubrir y no cubrir esta boquilla es una causa de fluctuaciones del duty del reboiler! cuando la circulación se reduce a trav/s del reboiler cortará la transferencia de calor. Algunas veces! los reboilers de termosifón parecen morir a cargas ba$as. En ve" de una reducción gradual en la salida de calor! el reboiler inesperadamente parece detener su traba$o. Esto es porque el ba$o porcenta$e de vapor en la línea de retorno del reboiler no produce una diferencia de densidades significativa entre las líneas de entrada y salida. 'in la fuer"a impulsora de la diferencia de densidades! la circulación del termosifón se detiene y la transferencia de calor se reduce. La variación de la salida de calor desde el termosifón del reboiler puede tambi/n estar relacionada con un ba$o flu$o líquido. 4na fuga en la trampa de la bande$a permitirá que solamente una parte del líquido que fluye aba$o de la torre sea recogida y retirada al reboiler. Este problema es reconocido fácilmente observando la temperatura de salida del reboiler. ,uando esta temperatura ba$a mientras se levanta el duty del reboiler! el flu$o de líquido al reboiler ciertamente aumentará. -nversamente! una alta temperatura de salida combinada con un duty ba$o indica que el reboiler esta funcionando seco.
T%RNDOBN PRO2LE0S >ucas torres equipadas con bande$as de válvulas y de tami" no operan eficientemente a tasas de alimentación ba$as. Esto se debe a fugas en los platos. ,uando la caída de presión del vapor que fluye a trav/s de los agu$eros del tami" cae deba$o de la altura del líquido en la bande$a 2seg%n lo determinado por la altura del vertedero3! la bande$a iniciará a fugar 2gotear3. #ágina "& de ""
,omo el líquido está ba$ando a trav/s de los agu$eros del tami"! el flu$o de líquido sobre el vertedero se detiene. El nivel del líquido en la bande$a 2como se muestra en la figura 6H)6@3 cae deba$o del tope del vertedero. Esto no sella el lado del fondo de la ba$ante y permite que le vapor sobrepase la bande$a y fluya acia arriba por la ba$ante. ,on el vapor fluyendo acia arriba por la ba$ante! el líquido se acumula en la bande$a de arriba. El mayor peso del líquido en la bande$a fomenta mayores fugas a trav/s de los agu$eros del tami". La figura 6H)6@ ilustra como una bande$a caída puede agravar el problema de ba$o flu$os de vapor. +ambi/n! la discusión precedente es aplicable tanto a bande$as de válvulas como a bande$as de tami". Las bande$as de válvulas gotean! con mayor seguridad! a tasas ba$as de vapor sin importar cualquier reclamo del vendedor por el contrario. En resumen! los operadores a menudo culpan tambi/n de los problemas de inestabilidad de torre al mal funcionamiento de los instrumentos. >uy a menudo! tal inestabilidad es una clara se&al de peligro de un problema de procesos fundamental o una falla mecánica. ecordar! que si uno no puede operar una torre en modo manual! la sintoni"ación de instrumentos no ayudará.
#I$%RA !='!3. Tasas ba*as de /a(or desellan ba*antes. LISTA DE 4ERI#ICACIÓN DE SOL%CIÓN DE PRO2LE0AS. Para (robleas de destilación 0al )uncionaiento de instruentos Equivocado feedbacP)feed forSard control. -nterferencia el/ctrica. 'intoni"ación de instrumentos ,ambiar de control auto a control manual Reboilers (recalentadores. Excesivo calentamiento de la alimentación +ubo con fuga del reboiler idrocarburos en el suministro de vapor del reboiler #erdida de la circulación de termosifón estricciones del drenado del vapor condensado 'ellos de condensado malogrados #ágina "3 de ""
