PRINCIPIOS DEL FRACCIONAMIENTO DEL PETRÓLEO
El desarrollo del fraccionamiento estuvo inicialmente limitado a la industria del alcohol, en donde se denominaba destilación. A medida que la industria petrolera se expandió, recibió considerable atención, gracias a que el fraccionamiento ocupa un puesto especial en la producción de productos de petróleo. No fue sino mucho después cuando el fraccionamiento dejó de ser un arte, y pasó a considerarse una ciencia.Hoy, el fraccionamiento ha llegado a ser una especialización, y las compañías petroleras emplean los ingenieros con base a su conocimiento del campo. Como consecuencia, numerosos datos se han podido recopilar. Los principios que soportan tan complicados diseños, son bastantes simples, y una vez que se entienden, permiten obtener una mejor información del equipo disponible.
La ciencia del fraccionamiento puede dividirse en tres clasificaciones: diseño de equipo nuevo, conversión de equipo viejo para nuevas operaciones, y mejoramiento del equipo existente. En el diseño de equipo nuevo, la inversión inicial ocupa un segundo plano, y suele diseñarse para operación económica.
Cuando se invierte en equipos viejos, la inversión inicial ocupa un primer plano . El mejoramiento del equipo existente, puede hacerse bien mejorando las instalaciones para disminuir costos o aumentando la calidad del producto.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
Una columna de fraccionamiento se usa para separar una mezcla en dos o más componentes en virtud de la diferencia en sus volatilidades o puntos de burbujeo.Debido a que el calor se suple por el fondo del fraccionador y se retira por el tope, se crea un gradiente de temperatura entre los platos del tope y los del fondo de la columna. El calor que entra al rehervidor, produce vapor en el fondo de la columna, el cual fluye hacia arriba, plato a plato. Debido a que el vapor encuentra continuamente puntos de baja temperatura, el componente menos volátil se condensa; su condensación produce calor, que a su vez vaporiza el componente más volátil del líquido que entra al plato, desde el plato inmediato superior. Este proceso de condensación y vaporización alternativa origina un producto de tope, enriquecido en el componente más volátil y un producto de fondo enriquecido en el componente menos volátil.
Cuando la carga está formada por dos o más componentes éstos se distribuyen hacia el tope y el fondo de la columna en cantidades apreciables. Si existen solamente dos componentes, el más volátil se denomina componente llave liviano y, el menos volátil, componente llave pesado. Estos componentes representan la sección donde se desea la separación. Si se fracciona un sistema multicomponente, pueden haber más de dos componentes distribuidos, en este caso los componentes llave serán aquellos que muestren mayor cambio en la composición entre el tope y el fondo. Cuando existan más de dos componentes que muestren esta posibilidad, la columna deberá diseñarse en condiciones de producir la separación más difícil.
Una columna de fraccionamiento esta dividida en dos secciones a ambos lados del plato de carga, la sección del tope se llama zona de rectificación y la del fondo, zona de despojamiento (stripping). En la zona superior el componente más volátil es enriquecido o rectificado. En la zona del fondo el componente más volátil es removido del componente menos volátil. En la zona de despojamiento, cada plato, tiene una mayor cantidad de líquido que de vapor, mientras en la zona de rectificación ocurre lo contrario. Cuando la columna se opera a reflujo total, la cantidad del líquido y vapor, que dejan cada plato, se hacen igual en ambas secciones.
PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
a. Tipos de Torres
La selección del tipo de equipo, las partes interiores de esos equipos, la razón líquido/gas, el diámetro y la altura de la columna tienen efectos importantes desde el punto de vista económico al seleccionar el tipo de torre para una operación de fraccionamiento.
En este caso nombraremos algunas ventajas importantes para la elección de torres empacadas y de platos:
Torres Empacadas:
Hay muchos casos en que las torres empacadas tienen ventajas importantes.
Entre éstas se incluyen:
1. Operaciones al vacío. La caída de presión en una torre empacada se puede diseñar con frecuencia para un nivel más bajo que en el caso de una torre de platos y obtener, de todos modos, un contacto adecuado en el vapor y el líquido.
2. Los líquidos espumantes se pueden manejar con frecuencia en forma más satisfactoria en una torre empacada.
3. La retención de líquido suele ser generalmente menor, por lo que se puede manejar materiales sensibles al calor junto con procesos que pueden tener reacciones secundarias indeseables.
4. La construcción suele ser más sencilla y barata cuando el sistema es corrosivo para los materiales de construcción normales.
5. Para columnas pequeñas (menores que, aproximadamente, 2 pies de diámetros), las torres empacadas serán casi siempre más baratas que las de platos.
Torres Platos:
Las torres de tipo platos tienen ventajas importantes en muchos campos:
1. Se instalan con facilidad serpentines de enfriamiento en los platos, lo que las hace más conveniente cuando el calor de solución requiere enfriamiento interno.
2. Con el diseño apropiado para la longitud del flujo transversal de líquido, las torres de platos pueden manejar flujos más altos de líquido.
3. Para flujos de líquido extremadamente bajos (por ejemplo, en la deshidratación de gas natural en el cual se utiliza un glicol), las torres de platos tienen ventajas, puesto que se pueden diseñar para retener una cantidad dada de líquido en el plato.
4. Se puede preferir ciertos tipos de torres de plato, cuando hay disposiciones de materiales sólidos que se deben retirar periódicamente. La limpieza de las otras torres de platos se puede hacer por bocas de acceso, mientras que las torres empacadas requieren que caiga el empaque para facilitar la limpieza.
5. El peso total de la torre de platos suele ser menor que el de una torre empacada, diseñada para el mismo servicio. La resistencia limitada a la trituración de muchos materiales de relleno puede hacer obligatorio el uso de platos múltiples de soporte del empaque, para sostener el peso alto, de la columna empacada.
6. Se prefieren en general columnas de platos para las operaciones que requieren un gran número de unidades de transferencia o platos teóricos.
Las torres empacadas tienden a someterse al encauzamiento de las corrientes de vapor y líquido y la distribución adecuada es difícil de mantener, sin patrones bastantes elaborados de redistribución.
b. Bases de Diseño
Para diseñar una columna de fraccionamiento es necesario seguir los siguientes pasos:
1. Definir la alimentación, recuperación de productos (Rata de Flujo) y especificaciones de los mismos (Caracterización).
2. Definir el componente Llave Pesado y el componente Llave Liviano.
3. Establecer la presión de la columna de acuerdo al medio enfriante en el condensador.
4. Calcular el punto de rocío para el destilado y el punto de burbujeo para el fondo. (Temperatura de tope y fondo).
5. Calcular el mínimo número de platos teóricos.
6. Calcular el mínimo reflujo.
7. Determinar el punto de operación de reflujo y el número de platos teóricos.
8. Determinar el plato de alimentación.
9. Calcular con la eficiencia de la columna (o plato) y determinar el número de platos.
10.Calcular el diámetro y altura de la torre.
AUTOR: Ing. Jorge Barrientos, MSc.
_________________________________________________________________________________
ENTRADAS RELACIONADAS
_________________________________________________________________________________
