Una columna de fraccionamiento se ve equipada con platos o material de empaque con el propósito de separar una mezcla de componentes en dos o más productos, al menos uno de los cuales reflejará una composición o presión de vapor controlada. En sistemas de de crudos o condensados tales como una fraccionadora, ésta se identifica comúnmente como una estabilizadora y es alternativa a la separación de etapas. La fraccionadora es esencialmente una unidad de presión constante que emplea calor, absorción, y arrastre (stripping) para separar para separar los componentes basados en sus diferencias de puntos de ebullición [1].

 

Las Torres (contactoras) de fraccionamiento o destilación se designan basadas en los productos que serán producidos en el tope de éstas, por ejemplo una desetanizadora descarga una corriente de destilado que principalmente contiene etano y los componentes más livianos tales como el metano y el nitrógeno, con producto de fondo integrado por el propano y componentes más pesados (C3+). Similarmente una despropanizadora descarga un destilado que es principalmente propano, y el fondo con los componentes n-butano y mayores en paso (C4+). El Capítulo 16 del Volumen 2 de “Gas Conditioning and Processing” presenta un excelente resumen de los fundamentos del fraccionamiento y destilación [1].

 

Estimar la óptima ubicación del plato de contacto de la alimentación en la fase de diseño no es nada fácil, particularmente si se aplican los cómputos resumidos. Virtualmente todas las estimaciones de cómputo rápido para fijar la ubicación del plato de alimentación parten del punto de reflujo total [1].

 

Este previo del mes (PDM) demostrará como se puede determinar la ubicación óptima del plato citado en una torre de fraccionamiento, o destilación por un método de cómputo resumido así como uno rigoroso empleando un simulador de procesos. Como ejemplo, demostraremos como dimensionar una desetanizadora ejecutando los correspondientes balances de materiales, y energía, cómputos resumidos, y la aplicación de los algoritmos rigorosos de plato por plato. Finalmente, el PDM determinará la ubicación óptima del plato de alimentación pro el método resumido, así como el rigoroso.

 

 

Caso en Estudio de una Desetanizadora:

Consideremos una columna desetanizadora con composiciónes de alimenatción, caudal temperatura, y presión presentadas en la Tabla 1. Es requerido dimensionar la columna desetanizadfora:

A. Recuperar 90 porcentaje molar del propano en el fondo de la torre y

B. La relación etano a propano igual a un 2 % en el producto de fondo.

 

Para la comprensión del concepto, el PDM efectuará el dimensionamiento en tres pasos:

  1. Balances de Masa y energía
  2. Método de pasos resumindos para la columna de Destilación
  3. Método de pasos rigorosos plato-por-plato para la Columna destiladora.

 

 

 

Todos los pasos citados arriba pueden ser ejecutados mediante las herramientas/operaciones disponibles en un simulador de procesos. En este PDM todos los cómputos se ejecutan empleando el UniSim Design [2] con la opción de ecuación de estado Peng-Robinson [3]. La Figura 1 presenta el diagrama de flujo (operaciones/herramientas) para los paso indiacdso arriba [2].

 

Tabla 1. Composición y Condiciones de la Alimentación

 

 

 

Figura 1. Diagrama de Flujo de Proceso [2]

 

 

Balances de Masa y Energía:

Seleccionemos el etano como componente clave liviana (CL) y propano como la clave pesada (CP) por cuanto sus especificaciones de separación están fijadas. Se asume que todos los componentes más livianos que la CL se despojan en el tope y todos los de mayor peso que la CP se despojan por el fondo.

 

La presión de operación se fija normalmente basada en la temperatura de medio de enfriamiento del tope. Presiones típicas oscilan entre 375–450 lpca (2586–3103 kPa) [1]. Mientras que la alimentación es 435 lpca (300 kPa), se asume que la presión del tope de la unidad es 403 lpca (2779 kPa), y la de fondo es 410 lpca (2828 kPa).

 

Podemos emplear la herramienta “separador de componentes” disponible dentro del simulador de procesos para efectuar los balances iniciales de materiales y energía. El citado separador se muestra en la parte inferior de la Figura 1. El corte para el propano (CP) se especifica en 90 % molar dirigido al fondo y 10 % al tope. El corte de etano se desconoce pero puede ser determinado por ensayo y error manualmente o empleando la vía de “ajuste” o herramienta de “solución” del simulador el cual esencialmente varía el corte de etano para cumplir con la relación de 2% molar de etano a propano en el fondo. El corte estimado de etano para el tope es de 97 % molar.

 

Las fracciones molares de los componentes CL y CP en el tope y fondo y los valores específicos en la corriente alimentadora se presentan en la Tabla 2. El “separador de componentes” también determina los caudales de flujo del tope/fondo, composiciones, temperaturas, y requerimientos energéticos.

 

 

Tabla 2. Estimados específicos (alimentación) de las composiciones claves

 

 

Método resumido para el cómputo de la columna:

Empleando las presiones del tope y fondo de la columna y las fracciones molares de los componentes claves (de la Tabla 2), el método resumido de cómputo para la operación de la columna en el simulador de procesos se puede aplicar para fijar en valor mínimo de los contactos teóricos, y la relación mínima de reflujo (Gasto Reflujo/Destilado), (L/D)min. El método de cómputo resumido del diagrama de flujos de proceso para la columna de destilación se presenta en el centro de la Figura 1.

 

El valor mínimo de los números de platos de contacto aplicando la correlación Fenske [1,4] y la relación mínima de reflujo aplicando la correlación Underwood [1,5] es de (L/D)min = 0.618. La relación de operación de este paramento es generalmente 1.05–1.25 por 1.05–1.25 times (L/D)min [1]. Asumiendo que este valor es de 1.15 por (L/D)min el valor en la operación asciende a 0.711. Para este nivel de parámetro el programa determina el número de platos de contacto empleando la correlación Gilliland [1,6], la ubicación óptima del plato de alimentación empleando la correlación Kirkbride [1,7], composición de los componentes en el destilado y producto de fondo, temperaturas, y carga térmica del condensador y re hervidor de fondo. La Tabla 3, presenta el resumen de los resultados resumidos.

 

Tabla 3. Resumen de los valores especificados y calculados del método resumido para la columna

 

Pronosticando la ubicación del plato de alimentación en la fase de diseño no es fácil, especialmente si se emplea un proceso resumido. Virtualmente, todos estos métodos empleados para el estimado de las condiciones del plato de alimentación asumen reflujo total.

Una correlación empírica por Kirkbride [1,7] se incluye en la Ecuación 1.

 

(1)

N + M = S          (2)

Donde:

N         = numero of platos de equilibrio superiores a la de alimentación

M         = numero of platos de equilibrio inferiores a la de alimentación

B         = gasto de fondo, moles

D         = gasto de destilado, moles

xHKF     = composición del componente clave pesado en la alimentación

xLKF     = composición del componente clave liviano en la alimentación

xLKB     = composición del componente clave liviano en el fondo

xHKD    = composición del componente clave pesado en el destilado

S          = Número de contactos de equilibrio en la columna

 

Sustituyendo los valores correspondientes de los parámetros de las Tablas 2, y 3 en las Ecuaciones 1 y 2 resulta en los valores de N y M.

 

 

 

Por cuanto N M = 16.9 , N = 5.42 y M = 11.48, se observa buena correspondencia entre la ubicación del plato de la alimentación con los valores de la Tabla 3. Aproximadamente 5.42 platos de equilibrio se requerirán superiores al de alimentación y 11.48 inferiores (incluyendo re hervidor).

 

El valor actual de los platos de la columna pueden ser estimados mediante la relación entre en número de contactos y la eficiencia total de los platos. Esta eficiencia típica de la desetanizadora es de 50 -70 % [1]. Asumiendo un valor de 60% , el número de platos actuales sería de 16.9/0.6 = 28, valor que se ubica en el rango típico de la columna desetanizadora de unos 25 – 30 [1].

 

 

Cómputos rigorosos de plato – en – plato para la columna de destilación

Mediante el método de cómputo resumido, se obtienen buenos estimados para distintas variables de esta columna desetanizadora. Dadas las especificaciones para el etano y propano, 17 etapas de equilibrio (incluyendo el re hervidor) más un condensador, presiones de tope, y fondo ubicación del plato de alimentación, relación de reflujo de operación, se pueden lograr mediante la aplicación de una simulación rigorosa. Nótese que el número de los platos de equilibrio, el estimado del punto de alimentación, y la relación de reflujo de operación fueron determinados en la sección previa.

 

Por cuanto el método resumido estimó la ubicación del plato de alimentación más otras variables, se empleará la vía de cómputo plato por plato por la simulación para mejorar el dimensionamiento de la unidad y ubicar mejor ubicación del plato de alimentación. Éste método de cómputo rigoroso plato en plato se muestra en el sector superior del diagrama de flujo de proceso de la Figura 1.

 

Los resultados de plato por plato de la simulación son presentados en la Tabla 4, y Figura 2. Varias ubicaciones del plato de alimentación son simuladas y el que resulta en la menor carga para el condensador (re hervidor de fondo) es la óptima. Esta se identifica en el contacto 3 del tope ( N=3 y M = 14 incluyendo re hervidor).

 

 

Tabla 4. Cargas térmicas del Condensador y Re Hervidor vs ubicación del plato de alimentación

 

 

Figura 2. Cargas térmicas del Condensador y Re Hervidor como función de la ubicación del plato de alimentación

 

 

El perfil de temperatura de la columna es función de la ubicación del plato de alimentación con se muestra en la Figura 3. Este punto debe resultar en un perfil continuo térmico. Cundo es inapropiada la ubicación, esta ocurrencia es manifestada por una severa des continuidad en la pendiente del perfil. Múltiples toberas, o un sistema de pre calentamiento de la alimentación son las vías típicamente seguidas para darle flexibilidad al ajuste de esta ubicación en la alimentación.

 

Figura 3. Perfil de temperatura en la columna vs ubicación del plato de alimentación

 

Varios parámetros claves para la ubicación del plato de alimentación en 3 son presentados en la Tabla 4.

 

 

Tabla 5. Resumen de los paramentos de diseño claves para la ubicación del plato de alimentación en 3.

 

De manera alterna, un perfil de la relación molar de la composición CL/CP en la columna

Puede ser graficada. La ubicación óptima de la alimentación se puede luego lograr asimilando la relación molar del CL/CP en la alimentación a éste valor en la columna. Este método sirve para minimizar las cargas térmicas del condensador y re hervidor de la columna.

 

 

Resumen:

Este PDM demostró como un simulador de procesos puede aplicarse para dimensionar una desetanizadora y determinar la ubicación óptima de la alimentación mediante minimizar las cargas térmicas del condensador y re hervidor. Este proceso es viable para otras unidades de fraccionamiento.

 

Selección de la ubicación correcta de la alimentación es importante para optimizar la operación de la unidad. Colocación muy alta puede resultar en excesiva carga del condensador (relación de reflujo) par logra las condiciones del destilado. La colocación muy baja puede impactar la carga de re hervidor no permitiendo cumplir con las condiciones del producto de fondo.

 

Por cuanto los cómputos resumidos prevén un estimado no-preciso para la ubicación de la alimentación un método rigoroso debe ser empleado para la ubicación de éste, mediante la minimización de las cargas térmicas del condensador/re hervidor.

 

Múltiples toberas de entrada para la alimentación son típicamente las vías empleadas para ajustar el punto de entrada de la alimentación.

 

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By: Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford

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References

  • Kirkbride, C. G., Petroleum Refiner 23(9), 321, 1944.
  • Gilliland, E. R., Multicomponent Rectification: estimation of number of theoretical plates as a function of reflux ratio, Ind. Eng. Chem., 32, 1220-1223. 1940.
  • Underwood, A. J. V, The theory and practice of testing stills. Trans. Inst. Chem. Eng., 10, 112-158, 1932.
  • Fenske, M. R. Fractionation of straight-run Pennsylvania gasoline, Ind. Eng. Chem.; 24 482-485.1932.
  • Peng, D.Y. and D. B. Robinson, Ind. Eng. Chem. Fundam. 15, 59-64, 1976.
  • UniSim Design R443, Build 19153, Honeywell International Inc., 2017.
  • Campbell, J.M., Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment Modules, 9th Edition, 2nd Printing, Editors Hubbard, R. and Snow–McGregor, K., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2014