REINGENIERIA DE COLUMNAS DE VACIO COMBUSTIBLE CON RELLENOS ESTRUCTURADOS. RESUMEN: Se presenta la experiencia llevada a cabo en los últimos años en argentina en la modernización de varias instalaciones de destilación al vacio de hidrocarburos (“columnas de vacio”), ya sea procesando fondos de “topping” o bien directamente crudos, para lea obtención de destilados y productos pesados (asfalto), mediante el reemplazo de internos tradicionales (rellenos “random” o platos de burbuj eo) por rellenos tipo estructurados y sus auxiliares específicos de ultima generación, de diseño y fabricación local. Se describen los elementos utilizados en estas columnas de destilación y se citan brevemente a los distintos casos de reingenierías llevadas a cabo. 1. INTRODUCCION.
Los requerimientos técnicos cada vez más exigentes demandados por la industria de refinación del petróleo, a nivel internacional, se han visto potenciados en nuestro país por distintas causas, entre las que podemos citar las desregulaciones del mercado, las privatizaciones de las plantas de refinación, la competencia externa, las mejoras en los niveles de calidad de los productos y los márgenes económicos hoy disponibles. Los rellenos estructurados de última generación ya han sido adoptados como elementos eficientes de contactos liquido-gas para las columnas de destilación, en muchos servicios exigentes de fraccionamiento en el área de derivados del petróleo. Al respecto, se han reportado últimamente en revistas técnicas, una importante cantidad de remodelaciones realizadas en distintas plantas, utilizando geometrías regulares como reemplazo de los internos, con el objetivo de potenciar las capacidades de las instalaciones y mejorar las especificaciones de los productos. Estas nuevas aplicaciones en plantas de refinación han producido un desarrollo de nuevos internos y auxiliares de columnas, con diseño específico, produciendo una actualización tecnológica de importancia en esta área, que hasta no hace mucho tiempo se consideraba como madura en este aspecto. Los diferentes trabajos llevados a cabo en nuestro país en el sector de la industria de la destilación de hidrocarburos, conforman un aspecto interesante no solo desde el punto vista tecnológico, sino también desde la óptica de su ejecución, que mediante la asociación de empresas de porte mediano o chico, cada una de ellas en su propia especialidad y autonomía empresaria, pero trabajando todas ellas coordinadas, y que ha permitido conformar un conjunto multidisciplinario (ingeniería de proceso, internos de columna, sistema de vacío, hornos, pipping y montaje, etc.) con el objetivo de llevar a cabo las reingenierias de actualización tecnológica, con nivel internacional, en tiempos cortos, con suministros locales, a precios competitivos y con resultados altamente satisfactorios. 2. CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LAS COLUMNAS COLUMNAS DE VACIO.
Las columnas de vacío de fondos de topping responden en general al esquema de la fig.1. Cabe aclarar que esta disposición es aplicada para la destilación conocida como vacío combustible, mientras que en el caso de las destilaciones de vacío lubricantes, se agrega un lecho adicional, o lechos de mayor altura, a fin de aumentar el nivel de fraccionamiento. Las condiciones de operación de este tipo de columnas son exigentes, debido a que las presiones son reducidas, del orden de entre los 10 a 75 mmHg abs.. Las temperaturas son altas y los caudales son de magnitud, resultando por lo general equipos de grandes dimensiones. A los objetivos habituales de minimizar los gradientes de presión y obtener una correcta distribución de los flujos líquidos y gaseosos, se suman otros problemas propios de esta operación, que son: El manejo de la carga de alimentación, la cual generalmente se presenta en dos fases y a velocidades sónicas. La presencia de fondos pesados, y coquizables. La necesidad de evitar arrastres de productos y metales pesados, que colorean a los productos destilados o envenenan a los catalizadores.
Todo ello lleva a un desafío tecnológico, donde el “revamp” de una columna existente, además de justificarse económicamente mediante un aumento de la capacidad respecto de los equipos tradicionales y/o por una mejora en la especificación de los productos, debe ser tan o más confiable en su funcionamiento que los equipos a los que se reemplaza. En este caso en particular, el relleno estructurado tiene como ventaja su alta flexibilidad operativa, los que acompañados de los auxiliares de diseño especifico, permiten alcanzar el objetivo buscado, con una elevada robustez operativa. Otras limitaciones que condicionan fuertemente a la realización de estas reingenierias, son las dimensiones y características mecánicas de la columna, como ser diámetros, alturas, ubicación de los soportes de los platos, conexiones de entrada/ salida bocas de hombre, etc. En el diseño de la columna de vacío se presentan tres zonas de máxima exigencia: a) La alimentación y la cámara flash. b) El lecho de lavado de la corriente de “overflash”. c) El lecho de “stripping” de la corriente de pesados de fondo.
3. DETALLE DE LOS INTERNOS UTILIZADOS EN LAS REINGENIERIAS DE LAS COLLUMNAS DE VACIO.
La alimentación a la columna se hace en doble fase, debiendo el distribuidor de alimentación realizar la función de separar satisfactoriamente a ambas. Las variables mandatoria para el diseño son la velocidad de carga, que por lo general se encuentran en velocidades sonicas o cercanas, donde debe alcanzarse una condición de flujo satisfactoria que evite la formación de niebla en la cámara flash. Uno de los diseños de distribuidor de alimentación, utilizado por nuestra Empresa, es el de tipo diametral con flujos balanceados y placas de descarga lateral para la segregación de fases. Distribuidores con este diseño, fig.2, operan satisfactoriamente en estas difíciles condiciones.
Fig.2 Distribuidor de alimentación a cámara flash El diseño de la cámara flash incluye, en su parte superior, a un plato para la distribución secundaria de la fase gaseosa. Este plato distribuidor es con chimeneas para el pasaje de gases, teniendo como objetivos: a) Distribuir la fase gaseosa que ingresara a la zona de lavado (“slop wash”). b) Colectar la corriente final de lavado. c) Aportar una barrera mecánica para disminuir el arrastre de líquidos hacia la zona de destilados. El lavado de la corriente gaseosa que haciende de la cámara flash se lleva a cabo en el lecho de diseño específico, que tiene como objetivo minimizar a los indeseables arrastres de carbón y metales pesados a los destilados. Este lecho se compone de un relleno de fraccionamiento en su parte superior, mientras que la parte inferior se compone de una geometría estructurada especial, de diseño orientado a la función de arrestagotas, ver fig.3.
Fig. 3. Relleno tipo “arrestagotas” correspondiente al lacho de lavado. El lecho de “stripping”, ubicado por debajo de la cámara flash, se conforma con internos de características de grillas, de diseño especifico para el servicio, ver fig.4. Las condiciones operativas para este lecho son: a) Alcanzar la máxima área de contacto, tratando de evitar las zonas secas, a pesar de los bajos caudales de liquido y vapores que presenta el lecho. b) Minimizar el tiempo de residencia del liquido, debido a que este presenta tendencia a la coquización. Si bien se extreman los cuidados para minimizar este fenómeno, este resulta casi inevitable. Ante esta situación, esta zona de la columna se debe preveer su limpieza periódica del relleno, ya sea “in situ” o fuera del equipo.
Fig. 4 Relleno tipo “Grilla” correspondiente al lecho de “Stripping” Los rellenos empleados son de tipo estructurados de última generación diseñados en particular para cada aplicación, en función de los requerimientos y de las condiciones operativas de la columna (fraccionamiento o condensación). Nuestros diseños se realizan con herramientas informáticas producto de la investigación científica (1), el desarrollo tecnológico y de las experiencias de las aplicaciones ya realizadas. Las ventajas más importantes de estos rellenos son su muy baja caída de preión de la fase de gas y la alta eficiencia de fraccionamiento.
Tabla 1. Características de los rellenos estructurados utilizados generalmente en las reingenierias de columnas de vacío.
Los distribuidores de liquido de cada tramo de relleno son de diseños propios, específicos para rellenos estructurados (2). Los diferentes modelos utilizados se basan sobre el relleno, de tal manera que el camino de escurrimiento del liquido se realice siempre sobre una superficie sólida, para evitar su caída libre en el espacio gaseoso. Los modelos libres se podrán agrupar en aquellos de conductos de liquido cerrados (caños), con vertido por agujeros, fig.5, y aquellos de conductos abiertos (cubas), con drenaje por vertederos, fig.6. Las ventajas operativas de estos distribuidores son importantes.
Fig. 5 Distribuidor de tipo cuba con vertederos y bafles de descarga continua
Las columnas rellenas con elementos estructurados, si bien tienen la gran ventaja de ofrecer una mínima perdida de carga, requieren inevitablemente del uso de los distribuidores de vapor , debido a su poca capacidad de autodistribución de la fase gaseosa. Los diseños de estos distribuidores, para la inyección de vapor de “stripping” varían según el caso y la necesidad, pero por lo general son del tipo caños perforados. La distribución interna de la fase gaseosa se mejora mediante la utilización de platos con pasaje de gases por chimeneas. Para la extracción de producto destilado se utilizan los denominados platos colectores, que cumplen también las tareas de redistribución de líquidos hacia abajo en la columna y de vapores hacia arriba. 4. REINGENIERIA DE COLUMNAS DE VACIO REALIZADAS.
Las diferentes modernizaciones de instalaciones de destilación al vacío que se han llevado a cabo en nuestro país, con la participación de nuestra empresa y con los elementos arriba citados, son: 1) Columna de Vacío de combustible, para una refinadora de N. O. Argentino, 3
diseñada para una carga de 500 m /dia de fondo de ”topping”, y una producción 3
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de 28 m /dia de G.O. L. Y 318 m /dia de G.O. P. La presión de trabajo es de 10 mmHg. en el tope, y 16 mmHg. en la cámara flash. La columna es de 1,83 m de diámetro. En todos los lechos se han colocado rellenos estructurados. En operación satisfactoria desde 05/1994. 2) Columnas de asfalto y condensadora, para una refinadora de la prov. de Santa 3
Fe, para una producción de 800 m /dia de asfalto vial, a partir de un fondo de topping. Las presiones de diseño son 30 y 25 mmHg. abs. Los equipos tienen colocados rellenos estructurados en las zonas de condensación y fraccionamiento, mientras que en la zona de stripping de la columna de asfalto se ha colocado una grilla de diseño específico para el servicio. En operación satisfactoria desde 01/1995. 3) Columna de vacío combustible para una empresa de lubricantes del gran Buenos Aires. Revamp de la columna, en sus tramos de fraccionamiento, para obtener G.O.L. y G.O.P., así como todos los auxiliares y diseño de ña cámara flash. La presión de trabajo es de 10 mmHg. en el tope y 15 mmHg. en la cámara flash. Diámetro del equipo 2,7 m. En operación satisfactoria desde fines de 10/1995. 4) Diseño y suministro de una columna productora de asfalto vial para una empresa del gran Buenos Aires, consiste en dos lechos de fraccionamiento, cámara flash, fondo de “stripping” con grilla y demás auxiliares, incluyendo envolvente, de 0,914 m de diámetro. En aislamiento para su erección.
5) Recambio del lecho de lavado (“slow-wash”) de la columna de vacío de la refinadora de la prov. de Santa Fe, por un lecho combinado de relleno de fraccionamiento en la parte superior y de relleno arrestagotas en la parte inferior. El diámetro de la columna es de 3.66 m y la altura del lecho es de 0.80 m. Se incluyó el distribuidor de líquidos de lavado y el plato colector de fondo de lecho. 6) Se citan otros varios proyectos similares en, en diferentes grados de ejecución. 6.1) Remodelación de un “topping” con inclusión parcial de rellenos estructurados para su aumento de capacidad, y de la columna de vacío, para una tradicional empresa petrolera argentina. 6.2) Estudio de una nueva columna de vacío de mayor capacidad a la actual, que reemplazaría a la que fuera modernizada y actualmente en operación, citada en el punto (5), la que mejoraría los cortes a obtener respecto de la actual columna, y aumentaría la capacidad de 3
procesamiento a 2000 m /dia. 4. CONCLUSIONES. La utilización de rellenos estructurados en las columnas de vacío ha permitido mejorar su operación significativamente, ya que aprovecha las ventajas comparativas del relleno estructurado respecto de los elementos tradicionalmente utilizados en el servicio (relleno “ramdom” o platos de burbuj eo). El complemento requerido para un servicio eficiente es el empleo de auxiliares diseñados específicamente para rellenos regulares (distribuidores de liquido y vapor) y para el servicio (platos colectores de liquido y distribuidores de vapor). Tecnológica y comercialmente, es posible resolver estas modernizaciones en forma local por el esfuerzo simultaneo de diferentes empresas locales. 5. CITAS BIBLIOGRAFICAS.
1.- Tesis doctoral en Ing. Qca. “Modelación de Rellenos Regulares de Alta Eficiencia en la Transferencia de Materia”, Spekuljak, Z., fac. de Ing. Qca., Santa fe, Arg., con parte de los trabajos realizados en Bochum, R. F. Alemana, año 1986. 2.- Spekuljak, Z. Y Monella., “A New Concetp of Structured Packing Column Auxiliaries”, Chem. Eng. Techol., 17,1994, p.61.
