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ASIGNATURA:

PROCESAMIENTO DE HIDROCARBUROS

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE FRACCIONAMIENTO

POR :

Ing. Oly Guerra, MSc.

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Destilación La destilación es un proceso físico en el cual una mezcla líquida de componentes múltiples, al aplicársele calentamiento hasta ebullición, es separada en sus componentes constituyentes debido a las diferencias en sus puntos de ebullición y de volatilidad relativa.La destilación es un método para separar los componentes de una solución, el que depende de la distribución de las sustancias entre las fases gaseosa y líquida y es aplicable a los casos donde todos los componentes se hallan presentes en ambas fases. En lugar de introducir una nueva sustancia a la mezcla, para lograr una segunda fase, como se hace en absorción o desorción gaseosa, la nueva fase se crea de la solución original por evaporación o por condensación. Características Para poder separar una mezcla hirviéndola y condensando los vapores diferentes, cada componente de esa mezcla debe tener una temperatura de ebullición distinta. Los componentes más livianos se vaporizan primero y tienden a subir hacia el tope de la torre, mientras que los componentes con punto de ebullición más alto (más pesado), se quedan en el fondo. Es en este proceso de fraccionamiento donde se da la rectificación constante de las mezclas de vapor y líquido. Este contacto es continuo en las torres empacadas o internamente en las torres con platos. El personal técnico debe estar familiarizado con todos los equipos disponibles en el sistema de fraccionamiento (Destilación), así como con su funcionamiento y los principios básicos de las operaciones. Además, debe conocer a fondo los fundamentos teóricos para lograr un óptimo proceso y evitar productos fuera de especificación y el deterioro de las instalaciones y equipos.

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Balance de masa en una torre de destilación.

Figura 1. Columna de Destilación en equilibrio y sus zonas principales.

F

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Efectuando un balance de masa global en la columna de destilación se observa que en estado estacionario la corriente F que entra, debe ser igual a la corriente que emerge del tope o destilado D, más la masa de la corriente que sale por el fondo B:

F = D + B (Ec. 1)

Donde: F: corriente de alimentación. D: corriente de destilados. B: corriente de salida de fondo. ZONAS DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN En este equipo fraccionador existen tres zonas muy bien diferenciadas las cuales son: Zona de vaporización instantánea Zona despojadora Zona rectificadora Zona de vaporización instantánea (Z.V.I.) Esta zona por lo general se encuentra en el punto medio de la torre o cerca del fondo si es una torre atmosférica. Los componentes sufren una separación violenta (flash) donde los más volátiles suben hasta la parte superior de la torre de acuerdo a su punto de ebullición. Zona despojadora Esta es la zona más caliente de la torre. Los líquidos son despojados de sus componentes más volátiles, mientras que los componentes más pesados permanecen en forma líquida. Zona Rectificadora Es la zona más fría de la torre, llamada sección de enriquecimiento o rectificación, se lava con líquido para eliminar o absorber el componente menos volátil. El vapor condensado es arrastrado por el reflujo interno hacia la parte inferior de la torre. Los líquidos más volátiles seguirán ascendiendo hasta salir de la torre. Las purezas obtenidas para los productos separados dependerán, en gran parte, de las relaciones líquido/gas y del número de etapas ideales suministradas en las dos secciones de la torre. Las etapas ideales son el número de platos que por exigencia de diseño tiene la torre. Equilibrio líquido-vapor en sistemas ideales De acuerdo a la ley de Raoult en el equilibrio la presión parcial de la fase vapor es igual a la fracción molar del componente en la fase líquida multiplicada por la presión de vapor del componente puro a la temperatura de operación. Esta ley se aplica en sistemas ideales, es decir, donde no existe interacción entre los componentes:

*pXp (Ec. 2)

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La ley de estado de Dalton refiere a que la presión parcial de un componente en la fase vapor es igual a la fracción molar del mismo componente multiplicado por la presión del sistema:

yPp (Ec. 3)

Combinando estas dos ecuaciones se obtiene una relación de equilibrio entre la composición de la fase vapor y la composición de la fase líquida para un sistema ideal.

P

*p

y

X (Ec. 4)

En la destilación se separan los dos componentes debido a la diferencia en la relación de equilibrio entre los varios componentes. Así, la relación de equilibrio entre el componente A y C determina la volatilidad relativa de A C:

CA

CAAC yX

Xyá

(Ec. 5)

Donde: yA y yC: fracción molar del vapor de los componentes A y C. XA y XC: fracción molar del líquido de los componentes A y C. La volatilidad relativa es la medida de la separación de dos componentes. Mientras más volátil, más liviano, a una presión determinada. En general, se puede concluir que la volatilidad relativa AC a presión atmosférica donde P es igual a 1:

*

*

ACáC

A

pp

(Ec. 6)

Los puntos de ebullición de los componentes binarios A y C son dependientes de la presión de la columna. La relación de equilibrio k es muy utilizada en la separación de hidrocarburos, y está dada por la siguiente relación:

*p

P

X

yk (Ec. 7)

De acuerdo a las relaciones anteriores se puede concluir:

C

A

KK

ACá (Ec. 8)

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Fig.2. Equilibrios Vapor-Líquido a diferentes presiones

EQUILIBRIOS A TEMPERATURA CONSTANTE

En la Fig.3 se muestra una sección típica a temperatura constante de un diagrama de fase tridimensional. La intersección del piano a temperatura constante con la superficie doble de la Fig. 9.1 nos proporciona dos curvas quo se extienden sin máximo o mínimo. Desde la presión de vapor de B puro hasta la de A puro. Como antes, hay un número infinito de líneas de cierre horizontales, tales como la TV, que unen el vapor de equilibrio en V con su correspondiente liquido en T. Una solución en un recipiente cerrado en W es totalmente líquida; y si la presión se reduce a temperatura constante, la primera burbuja de vapor se forma en V, la evaporación completa se produce en S y una reducción adicional en presión resultará en un vapor sobrecalentado R.

Fig. 3 X,Y*FracciónMolarA EQUILIBRIOS VAPOR-UQUIDO A TEMPERATURA CONSTANTE.

X, Y*= Fracción Molar de A X= Fracción Molar de A en el líquido

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Tipos de fraccionamiento o Destilación

De acuerdo a la presión existen tres tipos de fraccionamiento que son: Destilación atmosférica Destilación al vacío Destilación presurizada La destilación atmosférica ocurre cuando la presión de la torre oscila entre 0,4 � 5,5 atmósferas absolutas. La destilación al vacío es aquella que se opera por debajo de la presión atmosférica, a una presión no mayor que 300 mmHg como presión tope de la columna. La presión de la destilación presurizada normalmente usa en el tope de la columna una presión de 80 psia o mayor.

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Torre de Destilación Atmosférica.

Figura 4. Esquema de una torre de destilación atmosférica. Productos obtenidos En la destilación atmosférica del petróleo se producen generalmente: Gases e hidrocarburos livianos Gasolina Kerosén Gasoil liviano Gasoil pesado Residuo largo Gases e hidrocarburos livianos Por gases e hidrocarburos livianos conocemos los siguientes componentes: metano, etano, propano, iso-butano y normal butano. Estos son gases a condiciones atmosféricas. Entre los usos más comunes de estos productos tenemos: Como combustible en hornos, como materia prima para procesos petroquímicos, como componente de gasolina, etc. Gasolina La gasolina es una fracción que tiene un rango de ebullición entre 60 y 180 0C. Esta compuesta por pentanos, hexanos, heptanos y octanos. Su principal uso es en los motores de combustión interna (automóviles, aviones, etc.). Kerosén

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El kerosén tiene un rango de ebullición entre 160 y 260 0C. Tiene un uso bastante variado, que va desde alumbrado y uso doméstico (cocinas, neveras, etc.), hasta como combustible en turbinas de aviación (Jets). Gasoil liviano El gasoil liviano es una fracción que tiene un rango de ebullición entre 250 0C y 310 0C. Se usa como componente de combustible diesel, para generación de electricidad en turbinas de gas y como medio de calefacción. Gasoil pesado El gasoil pesado tiene un rango de ebullición entre 300 y 380 OC. Por ser la fracción inmediatamente superior al residuo largo, es necesario controlarle la especificación de color en 2.5 unidades. Este producto tiene su mayor uso como combustible diesel (camiones, barcos, etc.) y para calefacción. Residuo largo El residuo largo es alimentado a las unidades de destilación al vacío, para continuar obteniendo destilados. El residuo largo cuyos destilados seguirán la ruta hacia Catalítica se conoce como residuo largo de propósitos generales y no tiene requerimientos de calidad, por lo tanto en este caso, la destilación atmosférica se maximiza el corte de gasoil pesado. En cambio, el residuo largo para manufacturar lubricantes debe ser manejado con mucho cuidado a fin de evitar alguna contaminación, ya que esto dañaría severamente la calidad y el rendimiento de las bases usadas en las mezclas de los lubricantes. La segregación de los crudos de lubricantes comienza en los pozos de crudo y se debe mantener a lo largo de todo el proceso de refinación. En general podemos definir el residuo largo como un corte de rango de destilación mayor de 370 °C (370 °C+). Tabla 1. Análisis de los componentes ligeros y la destilación TBP de la alimentación, para una torre atmosférica

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Tabla 2. Representación de los seudocomponentes de la alimentación para la torre atmosférica de crudo.

De crudo.

FIGURA 5. COMPARACIÓN DE LAS TEMPERATURAS CALCULADAS DE LAS ETAPAS CON LOS DATOS DE LA PLANTA.

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En las tablas 1 y 2 se muestran los porcentajes de volúmenes recogidos en una destilación atmosférica de acuerdo a los puntos de ebullición (TBP) de los componentes del crudo. Se puede observar que a menor °API mayor punto de ebullición y viceversa. En la figura 3 se puede observar la correlación que existe entre la temperatura y el número de etapas teóricas de una torre destiladora. El corte número 1 corresponde a la zona rectificadora donde se obtiene el destilado que es el producto más valioso. El corte número 4 es el de mayor temperatura y corresponde a la zona despojadora de la torre. Tipos de plato utilizados en una torre de destilación atmosférica. Plato de alimentación Los platos de alimentación de las torres de destilación atmosférica son del tipo tangencial y circulan en el interior de la torre a elevadas velocidades. En dicho plato de alimentación se tiene una lámina deflectora con el fin de romper la mezcla vapor líquido, el líquido cae hacia el fondo, mientras que los vapores ascienden.

Figura 4. Plato de alimentación.

Fig. 6 Platos de alimentación en torres atmosféricas.

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Fig 7. ESQUEMA DEL REFLUJO INTERNO Y VAPORES DE UN PLATO PERFORADO

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Destilación al vacío Definición Es la fase en la cual se hierven los líquidos a temperaturas por debajo de sus puntos de ebullición. Esto quiere decir que la presión del proceso de destilación es más bajo que la presión atmosférica. La unidad al vacío se diferencia de la de tipo atmosférico en que tiene una columna de fraccionamiento de diámetro mayor con platos más separados. Esto es necesario porque hay que manejar mayores volúmenes de vapores debido a la baja presión.

Productos obtenidos De la destilación al vacío se obtienen los siguientes productos: Gasoil de vacío Corte 1 Corte 2 Corte 3 Corte4 Residuo corto Gasoil de vacío El gasoil de vacío es un poco más pesado que el gasoil pesado y la fracción de este último, la cual no pudo ser obtenido en la destilación atmosférica. Este gasoil de vacío tiene un efecto positivo en la destilación al vacío, ya que juega un papel similar al vapor de despojamiento (lifting efect), contribuyendo al incremento en el rendimiento de destilados. Sin embargo, si la cantidad de gasoil de vacío es muy alta, tendrá un efecto negativo en la presión de operación de la columna, ya que sobrecargará los sistemas de vacío (eyectores, bombas de vacío, etc.). Cortes 1, 2 y 3 Los Cortes 1/2/3 no tienen especificaciones de calidad bien definidos y su control se hace basado en los rendimientos típicos de estos productos. En el Corte 3 se debe mantener una continua vigilancia de su color, esto es para evitar que por arrastre dentro de la torre, pasen componentes muy pesados y metales a este producto, los cuales producirán severos daños en Catalítica (alta formación de coque y envenenamiento del catalizador por la presencia de metales).

Corte 4 El Corte 4 es un corte intermedio entre el Corte 3 y el residuo corto, y con el salen los productos indeseables (asfaltenos) que suben con los vapores que van hacia la zona del Corte 3. Por esta razón, este producto se llama también Corte de lavado. Además, permite variar la calidad del Corte 3 y del residuo corto independientemente.

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Figura 8. Torre típica de Destilación al Vacío.

EMPAQUES ESTRUCTURADOS La definición de un empaque estructurado es: Dispositivo metálico que permite aumentar el área de transferencia entre líquidos y vapores y que tienen una forma prefijada: ordenada, manteniendo constante esa forma en cualquier parte donde se utilizan. Este empaque estructurado esta formado por láminas corrugadas de metal, arregladas de tal forma que suministran un área de contacto entre los vapores y el líquido de 125 y 250 m2/m3 de empaque, equivalentes a cientos de veces mayor área a un plato convencional. El modo de operación es muy sencillo, se mantiene un flujo de líquido sobre el empaque, el cual debe ser mayor a 0.1 rpm/s (Fig 9) y cuyo flujo mínimo permitido se denomina mojado mínimo ("Wetting"). Este flujo mínimo asegura que todas las láminas se encuentran mojadas, ya que al quedarse secas puede originarse coquificación de estas. Este líquido que cae sobre el empaque, se distribuye en este, fluyendo en forma laminar sobre las laminas. Los vapores ascendentes, entran al empaque por la parte inferior, pasando a través de las perforaciones de las láminas. Como por estas láminas viene bajando el líquido, se obtiene

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una enorme área de contacto entre estas fases. En el caso de Mellapack, la altura requerida de empaque para obtener una etapa teórica de separación son apenas 600 mm, igual al espaciamiento entre dos platos. Igualmente, la caída de presión a través de este empaque es de aproximadamente 5 mmIl2OImts de empaque, inferior en 100 veces a la caída de presión obtenida en un plato del tipo copas de burbujeo. Destaca que este tipo de empaques estructurados permite aumentar la capacidad de las torres, para obtener una mayor carga y/o producción de destilados, que en otro caso hubieran requerido construir columnas de mayor diámetro a las existentes. De acuerdo al manejo de los vapores existe una gran variedad de dispositivos que cubren las necesidades y casos particulares del proceso.

Empaque de Cobre

Empaque Estructurado Intalox

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Figura 9. Empaques metálicos estructurados (Norton Chemical Process Products Corporation).

Figura 10. Correlación de Capacidad (Norton Chemical Process Products Corporation).

Figura 11. Lecho Empacado Estructurado HS-10 (Norton Chemical Process Products Corporation).

HETP: Altura equivalente para un plato teórico.

Parámetro de Flujo, X

Correlación de Capacidad

Factor de Capacidad, pie/seg.

Caí

da d

e Pr

esió

n, p

ulg

H2O

/pie

HET

P, P

ies

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Figura 12. A) Distribuidores de líquidos por orificios, B) Distribuidor de líquidos con boquillas rociadoras (Norton Chemical Process Products Corporation).

Figura 13. Boquillas Rociadoras.

Figura 14. Distribuidores de Alta Tasa de Flujo. En las torres de vacío la distribución uniforme de los líquidos es esencial para lograr una alta eficiencia en el fraccionamiento del crudo debido a que la alimentación que forma una mezcla líquido-vapor deberá sufrir un flash en el tope de la columna. Por esa razón, por lo general se instalan dispositivos para separar el vapor del líquido y así evitar una sobrepresión en el tope de la torre.

A B

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Plato de Alimentación de una Torre de Vacío. El plato de alimentación más moderno es el denominado �Schoeppentoeter� y el cual es una construcción triangular donde lateralmente se cuenta con láminas curveadas y las cuales deflectan a los vapores-líquidos saliendo por la línea de transferencia, separando eficientemente las dos fases.

Figura 15. Plato de alimentación de una Torre de Destilación al Vacío.

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Platos con Válvulas. En un plato equipado con estos tipos de válvulas, el vapor asciende a través de los orificios empuja una válvula de desplazamiento vertical y sale con una trayectoria semejante a que tendría con una copa de burbujeo. Operacionalmente presentan una eficiencia muy apreciable, principalmente en las torres de vacío, debido a que causan pérdidas de carga más bajas que otros tipos de dispositivos.

Las válvulas más comunes son: Glitsch, Encaje y Tarada (figura16).

Figura 16. Diferentes tipos de válvulas. a. Glitsch b. Encaje c. Tarada d. Trayectoria de los vapores.

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COPAS DE BURBUJEO

Fig. 17COPAS DE

BURBUJEO

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TORRES PRESURIZADAS

Fig18. TORRES PRESURIZADAS PARA GASES Nota: La presión de la destilación presurizada normalmente usa en el tope de la columna con una presión de 80 psia o mayor.

Butano

100 Ipca Debutanizador

250 °F

Gasolina

1000 PSIA

250 °F

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COMPOSICIÓN MOLAR DE TORRES PRESURIZADAS PARA HIDROCARBUROS LIVIANOS (C1 A C+

7).

MOLES/HR

1

2

3

4

5

6

7 C1

1.50

1.50

C2

24.60

22.20

2.40

2.40

C3 170.30

7.50

162.80

161.90

0.90

0.90

iC4

31.00

31.00

0.90

30.10

30.10

nC4

76.70

76.70

76.70

72.10

4.60

C5-C+7 76.50

76.50

76.50

0.90

75.60

Total

380.60

31.20

349.40

165.20

184.20

104.00

80.20 gal/dia

41.34

31.16

29.29

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ANORMALIDADES DEL PROCESO

Introducción El uso de platos y dispositivos tales como válvulas, copas de burbujeo, empaques, etc., son para propiciar una buena rectificación; pero, al mismo tiempo, esos dispositivos funcionan como restricciones al flujo de vapores y líquidos. En el caso de flujo excesivo de vapores o líquido, el tráfico de materiales sufre una sobrecarga y las funciones generales de la torre se alteran. Por eso es conveniente mantener en observación los efectos de cambios recientes en las variables de operación. Arrastre Un arrastre grave puede ser el comienzo de una inundación Normalmente, sobre la superficie del líquido en un plato, existe un gran volumen de gotitas arrastradas por la velocidad de los vapores en ascenso. Altas cargas de vapores, aumentan las velocidades de éstos, produciéndose un exceso en el arrastre de líquido que irá a contaminar el plato superior con partículas pesadas. El fraccionamiento se ve afectado pues el proceso de rectificación se anula. Es posible normalizar la situación bajando la temperatura de la carga, bajando la rata de alimentación o el vapor despojados. Cuando son consecuencias de desperfectos mecánicos, como platos volteados, bajantes obstruidos, corrosión avanzada, etc., una parada de planta será la decisión inmediata. Vómito Consiste en la inundación del plato de tope y, en casos más severos, también de los inmediatos inferiores. Puede resultar por un exceso de reflujo de tope, del cual una gran parte regresa por la línea de vapores de cabecera como líquido en oleadas. Afecta gravemente la rectificación debido a que las fluctuaciones en la presión y los grandes volúmenes de arrastre contaminan el producto con partes pesadas, aumentando así el FBP. Deben dirigirse las acciones a bajar temperaturas para disminuir las ratas de reflujo a tope. Por ejemplo, aumentando el reflujo intermedio, permitir un FBP máximo de cabecera (límite máximo de especificación), bajar rata y/o temperatura de la carga y tratar de mantener o subir levemente la presión. Goteo Cuando los flujos de vapor son bajos, existen una capacidad limitada para sustentar el líquido en la bandeja; la columna hidrostática vence la energía de los vapores y comienza un goteo rápido que puede llegar a secar el nivel de la bandeja si esas condiciones de mantienen. También la carga de vapores como su velocidad, altura de líquido, diámetro de los platos y de las perforaciones, incluyen en la ocurrencia del goteo. Una buena rectificación exige una baja manifestación de esta anomalía. La manera de controlar o corregir el goteo es mantener o retornar las condiciones operacionales de la torre dentro de las especificaciones de proceso establecidos en el diseño.

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Inundación Por altas cargas de líquido los vapores, uno o más platos pueden llenarse completamente de líquido o espuma. El tubo o los tubos de rebose no pueden desalojar eficientemente el torrente de líquidos, particularmente si hay dificultades en el flujo de vapores y formación de contrapresiones entre los platos. La caída de presión aumenta proporcionalmente al nivel de líquido, ocasionando más arrastre y agravando las condiciones al extremo de que pueda inundarse toda una sección. Es posible detectar una inundación por el aumento de la caída de presión (~ P) en la sección donde ha ocurrido (alta presión en el fondo, baja en el tope con fluctuaciones); también se notará una reducción en el producto de fondo. Las fluctuaciones en la presión del tambor de destilado son mayores en el fenómeno denominado "vómito". Las condiciones pueden normalizarse si se baja controladamente la carga, temperatura, vapor despojador, reflujos, extrayendo más productos laterales, etc... La presión, como variable, puede intervenir en última instancia y, en todo caso sería para aumentarla, buscando disminuir el volumen y velocidad de los vapores.

ANORMALIDADES DEL PROCESO

ARRASTRE INUNDACION

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Fig. 19. ANORMALIDADES DEL PROCESO

VÓMITO

GOTEO

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