Sintesis de columnas de destilacion

1. Introducción

La destilación constituye una de las operaciones más utilizadas en la mayoría de las plantas de proceso, particularmente, en la industria del petróleo y la petroquímica.

La separación de los compuestos o grupos de compuestos de una mezcla multicomponente mediante destilación, en rigor, trenes de columnas de destilación, es una operación tecnológicamente consolidada y operativamente robusta.

En estas unidades los costos totales pueden ser altos: a la amortización del equipamiento - torre, internos, equipos de intercambio de calor y de bombeo – debe sumarse el gasto en los servicios de calefacción y enfriamiento. Estos costos están influenciados notoriamente por el orden en el que se van separando las distintas fracciones.

Así, por ejemplo, si la presencia de un componente obliga al uso de un material especial en el equipamiento, con el consiguiente incremento del valor, cuanto más pronto se lo retire menor será el costo asociado al tren de destilación.

O también, si en la mezcla existe un componente en una proporción alta, en todas las columnas donde se encuentre presente se ha de producir un importante consumo de energía en calefacción y enfriamiento.

La estrategia con la que los ingenieros de diseño han abordado la estructuración de estos trenes de columnas de destilación, como es lógico, se ha ido modificando con el tiempo. Los primeros pasos formales fueron dados mediante la aplicación de reglas heurísticas. Luego, se avanzó en la formulación de funciones de evaluación de cuestiones preponderantes relacionadas al costo del sistema para terminar en enfoques algorítmicos o, para sistemas pequeños, el análisis mediante la búsqueda exhaustiva sobre la totalidad de configuraciones posibles, utilizando simulación.[pic 1]

En este capítulo vamos a considerar algunas de estas estrategias, aceptando que las columnas que integran los trenes son como la que se esquematiza en la figura 1, esto es, poseen una única alimentación y sólo dos salidas, utilizando medios auxiliares de calentamiento en el reboiler y de enfriamiento en el condensador –esto es, no existe integración térmica entre las columnas del tren. En todas las separaciones, los componentes claves son adyacentes respecto de la volatilidad.

Las buenas prácticas de diseño indican el uso de estas columnas de destilación cuando

• La volatilidad relativa entre los componentes claves es superior a 1,05
• La demanda energética en el fondo no es excesiva
• La presión de trabajo de la columna no obliga a trabajar a temperaturas cercanas a la crítica de cualquier compuesto
• En el tope no se requiere una refrigeración excesiva para obtener el reflujo necesario
• La temperatura de fondo no causa degradación del producto
• Los azeótropos, si existen, no impiden la separación de los compuestos
• La pérdida de carga en la columna es admisible

En todo este capítulo admitiremos que estas condiciones, en su totalidad, se cumplen razonablemente bien

El problema fundamental en la estructuración de los trenes es el número de alternativas a considerar. Si se trata, por ejemplo, de una mezcla de 3 componentes se tendrán sólo dos esquemas para el tren, la llamada secuencia directa, donde en el destilado de cada columna sale sólo el componente más volátil, y la secuencia inversa, donde por el fondo sale únicamente el componente más pesado.

El número de alternativas que se deberán analizar, crece rápidamente con el número de compuestos a separar. En la figura 2 podemos ver el árbol de las 14 alternativas posibles para una mezcla de 5 componentes. Allí se ha indicado con una barra / el punto de corte en cada columna (Si admitimos que los compuestos se indican ordenados en orden decreciente de volatilidad, AB/CDE significa que, en esa columna, por tope sale una mezcla de A y B y por fondo C, D y E). Otra forma de indicar una secuencia que utilizaremos es refiriéndonos a los puntos donde se producen los cortes, siendo el 1 entre a y B, 2 entre B y C, etc. Así el esquema 11 de la figura 2 lo podemos indicar como 4132.[pic 2]

A fin de evitar rotular la misma secuencia de distinta forma, debemos tener en cuenta que, al producir el corte en el punto k, quedan, en general, dos grupos  de puntos no usados: G1 {i < k} y G2 {j > k}, tras lo cual adoptaremos la convención que, para seguir designando la secuencia, hay que considerar el grupo G1 antes de hacerlo con G2.

Para encontrar una expresión general que nos permita determinar el número SNC de alternativas posibles para un tren de columnas donde deben separarse NC compuestos podemos suponer que en la primera torre se separan los j compuestos más livianos y, obviamente, por fondo los NC – j restantes. Para el destilado habrá Sj alternativas posibles de separación, en tanto que para el fondo existirán SNC-j trenes diferentes.

De este modo, a partir de esta primera torre se podrán estructurar SjSNC-j esquemas de separación y, haciendo j = 1, 2,…, NC-1 se puede calcular SNC como

[pic 3]

La tabla siguiente muestra como crece rápidamente el número de alternativas posibles en función del número de componentes que se separan.

A continuación, habremos de exponer algunas de las metodologías que pueden usarse para el análisis en la estructuración de trenes de columnas de destilación, comenzando con el enfoque clásico, actualmente un tanto dejado de lado, del uso de la heurística.

2. Estrategias heurísticas de estructuración

Es el método más antiguo para la selección de una secuencia de columnas simples. Se basan en consideraciones de sentido común o con fundamentos técnicos sobre aspectos relevantes de la operación. Resulta ser la vía más simple para abordar el problema de estructuración, si bien no se puede garantizar una solución óptima o evitar que, por la aplicación de las distintas reglas, se produzcan situaciones contradictorias.

Algunas reglas, de las muchas propuestas, son:

Reglas que dependen de la alimentación:

Regla 1: Se deben separar los componentes corrosivos o peligrosos tan pronto como sea posible.

Esta regla ha sido planteada y justificada en la introducción a este capítulo.

Regla 2: Debe separarse lo más pronto posible el compuesto más abundante en la alimentación.

La razón de esta regla radica en que todas las columnas, donde este compuesto esté presente, han de requerir un diámetro y un gasto de energía más grande para la circulación, la condensación y la evaporación de un mayor caudal en la torre.

Regla 3: Debe favorecerse, en cada columna, la separación entre tope y fondo lo más equimolar posible.

Aquí se pretende, fundamentalmente, distribuir, balanceados, los requerimientos energéticos en tope y fondo, a lo largo de todo el tren. Esta heurística privilegia los ítems, equipos y servicios, vinculados a los intercambios térmicos.

Reglas que dependen de las volatilidades relativas:

Regla 4: En el tope de cada columna debe separarse el compuesto más liviano presente en la alimentación (secuencia directa).

En esta regla se privilegian los costos asociados a la condensación en el tope, tanto en equipos como en servicios.

Regla 5: Las separaciones entre compuestos con volatilidades relativas cercanas a la unidad deben realizarse sin la presencia del resto de los componentes.

Al decir volatilidades relativas cercanas a la unidad se está poniendo de manifiesto la dificultad para separar esos compuestos, lo que demandará un significativo número de etapas en equilibrio. Al hacerlo en un equipo donde sólo ingresan esos compuestos se logra reducir al menos el diámetro de la columna.

Reglas que dependen de las especificaciones del problema:

Regla 6: Las separaciones que exigen una alta recuperación deben realizarse en ausencia de componentes no claves.

Esta regla tiene la misma justificación que la anterior, salvo que, en este caso, la dificultad no proviene de la naturaleza de los compuestos a separar sino de la especificación técnica que se ha planteado.

Reglas que tienen en cuenta alteraciones de los cortes separados

Regla 7: Deben preferirse aquellas secuencias donde los productos se separan en la corriente de tope.

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