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OPERACIONES UNITARIAS I Torres de Fraccionamiento

Maestra en Operaciones Petroleras Elaborado por Ing. Yonny Alvarez

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UNIDAD 2 TORRES DE FRACCIONAMIENTO

1.- Conceptos generales Condensacin parcial.

Enfriamiento de una mezcla hasta una temperatura especfica para condensar una fraccin de

la misma.

Destilacin

Proceso utilizado para separar los constituyentes de una mezcla lquida, basado en la diferencia

entre sus volatilidades o presin de vapor.

Destilacin extractiva

Proceso en el cual la adicin de un solvente de alto punto de ebullicin a una mezcla permite

alterar las volatilidades relativas de sus componentes, logrndose disminuir el nmero de

platos y relacin de reflejo requeridas para separar la mezcla original.

Destilacin instantnea por una expansin (single flash).

Separacin de una mezcla en una corriente de vapor y otra de lquido por la vaporizacin de la

misma en un tambor de separacin, en el cual se permite que la mezcla alcance el equilibrio.

Destilacin instantnea por expansiones sucesivas (successive flash).

Consiste en dos o ms vaporizaciones continuas en equilibrio, en las que los vapores formados

se separan del lquido residual despus de cada vaporizacin en equilibrio.

Fraccionamiento

Sinnimo de rectificacin y se aplica comnmente a las operaciones de rectificacin de la

industria petrolera.

Rectificacin

Es una destilacin realizada de tal manera que el vapor obtenido en la torre se pone en

contacto con una fraccin condensada del vapor previamente producido en el mismo aparato.

De este contacto resulta una transferencia de material y un intercambio de calor,

consiguindose as un mayor enriquecimiento del vapor en los elementos ms voltiles del que

podra alcanzarse con una simple operacin de destilacin que utilizara la misma cantidad de

calor. Los vapores condensados que se retornan para conseguir este objetivo se denominan

reflujo.

Reflujo.

Vapores condensados que se retornan a la torre de fraccionamiento para enriquecer el

producto de tope con los elementos ms voltiles.

Vaporizacin continua en equilibrio

Proceso de destilacin en el que se vaporiza parcialmente el material de alimentacin en

condiciones tales que hay equilibrio entre todo el vapor formado y todo el lquido restante. Las

condiciones de continuidad de funcionamiento presuponen una alimentacin de composicin

constante, a partir de la cual se forman y extraen continuamente vapor y lquido de

composiciones constantes y en cantidades uniformes.

Presin de vapor

Presin a la cual la fase gaseosa de una sustancia coexiste en equilibrio con su fase lquida o

slida; es caracterstica de la sustancia y aumenta con la temperatura. (Valores elevados de

presin de vapor corresponden a sustancias voltiles).

Temperatura de ebullicin

La temperatura de ebullicin de un lquido es aquella a la cual se forma la primera

burbuja de vapor a una presin dada.

Temperatura de roco



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Temperatura de roco de un vapor es la temperatura a la cual se forma la primera

gota de lquido a una presin dada.

Componentes claves

Son los componentes de una mezcla que determina su grado de separacin por

destilacin. El ms voltil de estos componentes es el componente clave liviano,

y el menos liviano es el componente clave pesado.

2.- Alimentaciones y productos tpicos de torres de destilacin de la industria

petrolera.

Corte.-Fraccin de un crudo que hierve dentro de unos lmites de temperatura especficos.

Normalmente los lmites se toman en base a los puntos de ebullicin verdaderos del ensayo del

crudo.

Crudo reconstruido.- Crudo mezclado con una fraccin especfica de otro para lograr alcanzar

alguna propiedad determinada.

Crudo reducido.-Crudo cuya densidad API se ha reducido por la destilacin de los componentes

ms voltil.

Crudo sinttico.- Producto del craqueo cataltico de amplio rango de ebullicin.

Destilados medios.-Material que hierve dentro de un intervalo general de 330F a 750F. Este

rango incluye normalmente kerosn, combustible diesel y combustibles ligeros. Los puntos

reales de corte inicial y final se determina mediante las especificaciones de los productos

deseados.

Gasoil

Corte de la torre atmosfrica que hierve en el rango de 300 a 700F. El corte exacto se

determina por las especificaciones de los productos.

Kerosn

Producto destilado medio compuesto de material de 300 a 550F. El corte exacto viene

determinado por las diversas especificaciones del kerosn acabado.

Nafta

Corte de la torre atmosfrica en el intervalo C5 420F. Las naftas se subdividen de acuerdo

con los cortes reales de la torre en naftas vrgenes ligeras (C5 160F) F), intermedias (160F

280F), pesadas (280F 330F) y extra pesadas ( 330 420F).

Las naftas, principales componentes de las gasolinas, necesitan generalmente procesarse para

obtener gasolinas de ptima calidad.

3.- Parmetros termodinmicos

Sistemas ideales y noideales

Un sistema ideal obedece la ley del gas ideal (ley de Dalton):

y el lquido obedece la ley de Raoult:

donde:

pi presin parcial del componente i

Pvi presin de vapor del componente i

P presin del sistema



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donde:

En los sistemas no ideales la fugacidad en el vapor y en el lquido juega el mismo papel que la

presin de vapor en el lquido y la presin parcial en el vapor. En el equilibrio la fugacidad del

vapor es igual a la fugacidad del lquido.

Constante de equilibrio K

La constante de equilibrio K es la tendencia de un componente a vaporizarse y es funcin de la

temperatura, presin y composicin. Si K es alto el componente tiende a concentrarse en la

fase vapor, si es bajo tiende a concentrarse en el lquido.

donde:

Ki: constante de equilibrio del componente i

fvi: fugacidad del componente i en la fase vapor

fLi: fugacidad del componente i en la fase lquida

Volatilidad relativa

Es una medida de la posibilidad de separacin entre dos componentes. Se usa para comparar la

presin de vapor de una sustancia con la otra, y se dice que la sustancia que tiene la presin de

vapor ms alta, a una temperatura dada, es la ms voltil.

donde:

ij volatilidad relativa del componente i con respecto al componente j

Ki : constante de equilibrio del componente i

Kj : constante de equilibrio del componente j

4.- Equipos principales de una torre de fraccionamiento

Rehervidor

Equipo cuyo nico propsito es el vaporizar parte de los lquidos que estn en el fondo de la

torre produciendo vapores que fluyen desde el fondo hacia el tope de la torre. Cualquier

lquido que no se vaporice en el rehervidor pasa a ser producto de fondo.

Precalentador de la alimentacin

El propsito de este equipo es el de incrementar el flujo de vapor en la seccin de la torre

localizada por encima de la alimentacin. El vapor en la torre puede ser producido en el

rehervidor o en el precalentador. El vapor generado por el rehervidor pasa por todos los platos

de la torre, pero el vapor producido en el precalentador solamente pasa por encima del plato



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de alimentacin. Para efectos de la separacin el vapor del rehervidor es ms efectivo, pero

puede ser ms econmico suplir calor al precalentador que al rehervidor. La relacin

lquido/vapor en la alimentacin frecuentemente es similar a la relacin tope/producto de

fondo.

Condensador

El propsito del condensador es el de condensar los vapores del tope de la torre.

En el caso de un producto de tope lquido se condensa todo el flujo de vapor (condensador

total). Si el producto de tope es un vapor se condensa suficiente vapor para el reflujo

(condensador parcial).

Tambor de destilado

El propsito del tambor de destilado es proporcionar un flujo estable de reflujo y producto de

tope. El tambor debe ser lo suficientemente grande como para absorber variaciones pequeas

en el flujo de condensacin. Tambin ayuda en la separacin del vapor y del lquido y en

algunos casos es usado para separar dos fases lquidas inmiscibles.

Dispositivos de contacto.

El propsito de los dispositivos de contacto es el de lograr el equilibrio entre las fases lquido y

vapor. Los platos o relleno en una torre estn diseados para mezclar el vapor ascendente y el

lquido que desciende. El flujo puede de esta manera tender al equilibrio por la transferencia

de calor y/o de materia de los componentes. De esta manera, los dispositivos de contacto

tienen el mismo efecto que una serie de etapas de vaporizaciones en equilibrio.



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4.6 Definiciones de diseo aplicadas a platos

Agujeros de drenaje

Por razones de operacin y de seguridad los agujeros de drenaje o aliviaderos son construidos

en los platos o en los vertederos en sitios donde el lquido pudiera acumularse, previendo un

drenaje total durante una parada de la torre. Algo de lquido puede pasar hacia los agujeros

mientras la torre est en operacin, por lo tanto es importante que el tamao, nmero y

localizacin de los mismos sean cuidadosamente seleccionados. Por otra parte, a bajos flujos

de lquido, la fuga a travs de los agujeros de drenaje puede causar que una gran cantidad de

lquido no pase a travs de la zona de contacto.

Arrastre

El arrastre consiste en una dispersin fina o neblina de lquido en el plato, el cual comienza a

ser arrastrado hacia el plato superior. Esto es causado por una excesiva velocidad del vapor a

travs de los orificios de los platos para una carga de lquido relativamente baja. La alta

velocidad a travs de los orificios es causada por una carga de vapor alta y/o bajo porcentaje de

rea abierta en el plato.

Capacidad mxima

La capacidad mxima es la carga mxima de vapor que la torre puede manejar, la cual depende

principalmente de las propiedades del sistema. La carga de vapor no puede ser incrementada

por cambios en el diseo del plato o aumentos en el espaciamiento entre los platos, sino

solamente por aumentos en el rea libre de la torre.

Eficiencia de plato

Es una medida de la efectividad del contacto lquidovapor en el plato. Expresa la separacin

que se tiene realmente en comparacin con la separacin que se obtendr tericamente en

estado de equilibrio. Toma en cuenta la no idealidad del plato. El nmero de platos ideales

(tericos), es igual al nmero de platos no ideales (reales) multiplicado por la eficiencia del

plato.

Goteo (Weeping)

El punto de goteo se define como el flujo de vapor al cual el lquido comienza a pasar a travs

de los orificios del plato en forma continua. Esto no es necesariamente el lmite inferior de

operacin para una buena eficiencia del plato.

Para sistemas con altas relaciones de lquido, una pequea cantidad de lquido pasando a

travs de los orificios no reducir considerablemente la eficiencia del plato.

Gradiente de lquido

El gradiente de lquido es el cambio en la profundidad del lquido en el plato, desde su entrada

hasta su salida. Dependiendo del tipo de plato (resistencia al flujo) y al tipo de movimiento del

vapor, el cabezal esttico representado por el gradiente de lquido puede proporcionar en

cualquier lugar una fuerza motriz que mueve el lquido a travs del plato desde una parte

despreciable (platos perforados) a una parte considerable (platos tipo casquetes de burbujeo).

Inundacin (Flooding)

La inundacin es una condicin inestable que implica una acumulacin excesiva de lquido

dentro de la torre. La altura del lquido en el bajante y en los platos aumenta hasta llenar toda

la torre de lquido. La acumulacin de lquido es ocasionada generalmente, por uno de los

siguientes mecanismos: inundacin por arrastre (rgimen spray o froth), llenado excesivo

del bajante y estancamiento excesivo de lquido por estrangulamiento del bajante downconer

chokc.

Inundacin por arrastre o inundacin por chorro (Entrainment flooding or jet flooding)



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Esta condicin se presenta cuando hay arrastre de lquido de un plato al plato superior debido

a una excesiva velocidad del vapor a travs del rea libre de la torre. La inundacin por arrastre

se manifiesta a travs de dos tipos de rgimen:

spray y espuma froth. El primer rgimen se presenta a velocidades del lquido bajas y

velocidades del vapor altas. El rgimen de espuma se genera a velocidades altas de lquido y de

vapor. Para evitar la inundacin por cualquiera de estos regmenes es importante poner

cuidado en el diseo del plato y el espaciamiento entre los platos.

Llenado excesivo del bajante

Una alta cada de presin o una segregacin insuficiente del vapor en el bajante causa un

aumento de espuma en el bajante y eventualmente la inundacin del plato. Esto puede ocurrir

a cualquier flujo de lquido el espacio libre del bajante, el rea del bajante, o el espaciado entre

los platos previsto es inadecuado.

Flexibilidad operacional (Turndown ratio)

La flexibilidad operacional se define como la relacin entre la carga de vapor en operacin

normal (o diseo) y la carga de vapor mnima permitida. La mnima carga permitida

generalmente est en el lmite de goteo excesivo, mientras que la carga para operacin normal

est separada con un margen de seguridad del lmite donde la inundacin comienza a ser

relevante.

Esta da a la torre un rango de operacin que asegura un funcionamiento satisfactorio de los

platos y por ende la calidad de los productos. Normalmente se toma como referencia que la

eficiencia del plato permanezca aproximadamente en 90% de su valor mximo.

Plato terico

Unidad terica de contacto que representa una etapa ideal de destilacin (etapa ideal de

destilacin (etapa terica), la cual cumple con las siguientes condiciones ideales: (1) opera en

estado estacionario, obteniendo un producto lquido que entra a la etapa estn perfectamente

mezclados y en contacto ntimo; (3) todo el vapor y lquido que sale de dicha etapa est en

equilibrio a las condiciones de temperatura y presin de la misma. Un plato o bandeja de un

fraccionador real es generalmente menos eficaz que un plato terico. La relacin del nmero

de platos tericos necesarios para realizar una separacin por destilacin entre el nmero de

platos reales utilizados, proporciona la eficiencia del plato.

Relacin de reflujo

Cantidad de reflujo por cantidad unitaria de destilado que sale del proceso como producto.

Selectividad

Razn de productos deseables a indeseables.

Sello del bajante

Un bajante no cerrado tiene como resultado un flujo de vapor ascendente a travs del bajante,

en lugar de ascender por el rea de contacto del plato. Si ocurre lo anterior puede causar un

estancamiento excesivo del lquido por estrangulamiento del bajante downconer chokc, y

una prematura inundacin del plato a flujos de diseo o menores.

Severidad

Grado de las condiciones de operacin de una unidad de proceso. La severidad puede indicarse

por el nmero de octano del producto, el rendimiento porcentual del producto, o slo por las

condiciones de operacin.

Vaciado por falta de hermeticidad

El vaciado por hermeticidad consiste en una excesiva fuga de lquido a travs de los orificios del

plato, caracterizada por una cada significativa de la eficiencia del plato. Para un

funcionamiento aceptable del plato, el flujo de vapor mnimo debe ser igual o mayor a aquel en



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que ocurre el vaciado.

Velocidad en el bajante / Segregacin

La velocidad del lquido en el bajante debe ser lo suficientemente baja para permitir la

segregacin del vapor y su salida del bajante contra un flujo de espuma en la entrada. Si la

velocidad es excesiva, el aumento del nivel en el bajante debido a una areacin puede causar la

inundacin del plato. Adems, el vapor en la mezcla espumosa puede ser de tal magnitud que

la segregacin en el plato de abajo forme un reciclo de vapor que lo sobrecargue, ocasionando

una inundacin por chorro prematura.

La reaccin de isomerizacin es aquella en la que la frmula del hidrocarburo permanece la

misma, pero la estructura cambia. Dos ejemplos de la reaccin de isomerizacin son los

siguientes.



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3.- SELECCION DEL TIPO DE PLATO

3.1 Antecedentes

Los platos tipo Casquete de Burbujeo (bubblecap tray) fueron los caballitos de batalla en

destilacin antes de 1960. En los aos siguientes han sido desplazados por los platos

perforados (sieve tray) y los tipo vlvula (valve tray). Actualmente los platos tipo casquetes

de burbujeo se utilizan en aplicaciones especiales, mientras que los platos perforados y los tipo

vlvula son los ms populares.

Esta seccin presenta las caractersticas principales de los platos que se utilizan con mayor

frecuencia en el mercado, y una comparacin entre ellos que permite seleccionar el tipo de

plato ms indicado para el servicio que se est evaluando.

Existen otras patentes de platos disponibles en la industria que no se incluyen porque son

utilizadas con poca frecuencia. Se hace mayor nfasis en las caractersticas de los platos

perforados y tipo vlvula, por ser los ms utilizados en la industria.

Generalmente, los platos perforados son considerados como la primera opcin en la mayora

de las operaciones. Estos platos presentan una serie de ventajas en cuanto a:

Bajo Costo

Buena Capacidad

Buena eficiencia

Flexibilidad aceptable (turndown)

Sin embargo, existen ciertas operaciones que requieren de las ventajas especficas de otros

tipos de platos.

3.2 Descripcin de los platos ms comunes

A continuacin se describen los platos frecuentemente utilizados en las operaciones de

destilacin y sus principales reas de aplicacin. En la Figura No.1a se presentan fotografas de

algunos de estos dispositivos.



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En primer lugar se describirn los platos ms utilizados hasta los aos 60:

Platos tipo casquete de burbujeo bubblecap tray

Este plato se caracteriza por ser plano y perforado, con tubos pequeos en cada perforacin

(ver figura No. 1a), sobre estos tubos estn colocados los casquetes (tazas invertidas). El

arreglo se asemeja a pequeas chimeneas colocadas en todo el plato. Los casquetes no

siempre tienen aperturas (huecos) por donde sale el vapor (figura No. 1b). El lquido y la

espuma son atrapados sobre el plato alcanzando por lo menos una altura igual a la del

casquete o a la del weir. Esto le da la habilidad nica de operar a bajas velocidades de vapor y

lquido, (ver figura No. 2a).

Hoy en da estos platos son muy poco usados, debido a su alto costo, cerca de 50 a 100% ms

caros que los platos perforados. Estos tipos de platos podran ser considerados cuando los

requerimientos de flexibilidad son mayores de 3/1 y los platos tipo vlvula no pueden utilizarse



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debido a posibles problemas de ensuciamiento o de formacin de coque.

Platos perforados sieve tray

Este plato es plano y perforado (ver figura No. 3). El vapor asciende por los orificios

ocasionando un efecto equivalente a un sistema de multiorificios (ver figura No.2b). La

velocidad del vapor evita que el lquido fluya a travs de los orificios (goteo). A velocidades

bajas el lquido gotea , no hace contacto con todos los orificios del plato y por lo tanto se

reduce considerablemente la eficiencia. Esto le da a estos platos una flexibilidad

operacional turndown relativamente pobre.

Estos platos son fciles de fabricar y por lo tanto son bastante econmicos.

Para la mayora de los servicios de fraccionamiento, los platos perforados representan la

primera seleccin. Estos son de bajo costo y presentan una buena capacidad, excelente

eficiencia y relativamente buena flexibilidad (hasta 3/1).

Pueden ser usados en servicios sucios, siempre que los platos sean diseados para dimetros

de orificios grandes (19 a 25 mm, 0.75 a 1.0 pulg



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Platos perforados sin bajante dualflow tray

Son platos perforados sin bajante que (flujo dual o plato fluctuante) poseen alta capacidad,

moderada eficiencia y baja flexibilidad, sin embargo estos platos deben ser apropiadamente

diseados para las cargas a las cuales van a ser operados, de los contrario no funcionarn

satisfactoriamente.

Estos platos operan con lquido goteando continuamente a travs de los orificios, lo cual afecta

su eficiencia (ver figura No.4). La altura de la espuma en este plato disminuye rpidamente

cuando se reduce la velocidad del vapor, afectando an ms la eficiencia y por lo tanto su

flexibilidad turndown. Esta resulta ser ms baja que la de los platos perforados con bajante.

Se conoce que para dimetros > 8 pie estos platos experimentan inestabilidad.

Son propensos a la canalizacin y por lo tanto sensibles a la prdida de nivel y a la distribucin

del lquido.

Debido a la ausencia de bajante, este plato ofrece mayor rea de contacto, por lo tanto

proporciona mayor capacidad que cualquiera de los platos ms comunes.

Esto lo vuelve una herramienta ideal para la remodelacin de un sistema en donde sea posible

sacrificar algo de eficiencia. La ausencia de bajantes y la gran

cantidad de rea abierta hacen a este plato el ms apropiado para el manejo de servicios con

problemas de ensuciamiento, slurries, y servicios corrosivos.

Estos platos tambin deberan ser considerados en sistemas donde se maneje aceite lodoso en

la torre. Son los ms econmicos, de fcil instalacin y mantenimiento.



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Platos tipo vlvula valve tray

La figura No. 5 muestra diferentes unidades de vlvulas. Estas pueden ser circulares o

rectangulares, con o sin una estructura caging. El disco de la vlvula sube a medida que

aumenta el flujo de vapor (ver figura No. 2c). La mxima elevacin del disco est controlada por

la estructura caging o por el largo de los sujetadores ubicados en la parte inferior de la

vlvula (piernas). A medida que el flujo de vapor disminuye la apertura del disco disminuye,

lo que evita el goteo del lquido a travs de los orificios, dando a este plato su principal ventaja:

buena operacin a flujos bajos, es decir, que proporciona gran flexibilidad (elevado

turndown). Estos platos pueden ser usados cuando los requerimientos de flexibilidad son

mayores de 3 a 1 (turndown 30%), sin embargo, no deben ser

usados en servicios sucios.

3.2.1 Comparacin entre los tipos de platos ms comunes

La tabla No. 1 compara los principales tipos de platos. La comparacin es general, asumiendo

que el plato est bien diseado e instalado. Los platos perforados y tipo vlvula tienen

capacidades, eficiencia, arrastre y cada de presin comparables. Los platos tipo casquete de

burbujeo tienen menor capacidad y eficiencia pero mayor arrastre y cada de presin al

compararlos con platos perforados y tipo vlvula. Los platos sin bajante presentan mejor

capacidad pero una eficiencia inferior a la de los dems.



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La flexibilidad que poseen los platos tipo vlvula es mucho mejor que la que presentan los

platos perforados, pero no tan buena como la que se obtiene con los platos tipo casquete de

burbujeo. Estos ltimos son los ms apropiados para servicios que manejan un flujo de lquido

extremadamente bajo ( menos de 2 gpm por pie de dimetro por paso).

Los platos tipo casquete de burbujeo son los ms costosos, los platos perforados son los ms

econmicos y los tipo vlvula son slo un poco ms costosos.

Los platos perforados son los que menor mantenimiento necesitan, la tendencia al

ensuciamiento es la ms baja, y el efecto de la corrosin tambin.

Generalmente, los platos tipo casquete de burbujeo y los platos sin bajante son utilizados en

aplicaciones especiales. Los primeros se prefieren tanto para aplicaciones donde se requiere

una gran flexibilidad turndown como para servicios que necesitan la eliminacin de fugas. Los

platos sin bajante se utilizan en servicios que manejan slidos, que tienen gran tendencia al

ensuciamiento y/o a la corrosin, y cuando se remodela revamp una torre para aumentar su

capacidad.

Para la mayora de otros servicios tanto los platos perforados como los tipo vlvula son la mejor

eleccin. Los perforados estn en ventaja cuando el servicio es corrosivo, tiene tendencia al

ensuciamiento o la flexibilidad turndown no es importante; mientras que los tipo vlvula son

preferidos cuando la flexibilidad s es un parmetro importante. Considerando el alto costo de

la energa, los ahorros que se tienen en perodos cortos de disminucin de la capacidad de

procesamiento short turndown, normalmente justifican la diferencia de precios entre los

platos perforados y los platos tipo vlvula. Esto ha logrado que

ltimamente los tipo vlvula se vuelvan ms populares.

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