guia 1

PROCESAMIENTO DE GAS Y PETRÓLEO II

ING. J. ISIDRO CHIRINO H.

MINUNIV

GYP-37124 - PROCESAMI

Ciclo Pr

UNIDAD 1. INTRODUCCI

1. DESTILACIÓN La destilación es un método para separar los cofase gaseosa y una líquida, y se aplica a los cintroducir una nueva sustancia en la mezcla, cgases) la nueva fase se crea por evaporación ocomún en agua, el agua puede evaporarse comfines prácticos, casi no es volátil en las condicioPor otra parte, la destilación se refiere a separa

Fig. 1 Destilación Simple

Cuando un fases el líquvapores secerrado de líquido hirvicomo destiAl aplicar cacondensadoparedes fríaEn el casovapores quvolátiles, delíquidos mávolátiles, si líquidos pucomponente

A esta categoría corresponde la separación deamoniaco en agua se pone en contacto con apero entonces el amoniaco no se obtiene en focalor, es posible evaporar parcialmente la soluamoniaco. Y puesto que el gas es más rico en aMediante la manipulación adecuada de las faselograr una separación tan completa como se qudeseada.

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSANIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA NUCLEO TRUJILLO

MIENTO DE GAS Y PETROLEO II - INGENIER

ING. J. ISIDRO CHIRINO HERNÁNDEZ PERIODO: II – 2011

SEMESTRE: VIII Profesional Ingeniería en Gas, UNEFA, Trujillo

CIÓN AL FRACCIONAMIENTO DE GAS Y PET

s componentes de una solución; depende de la distribución s casos en que todos los componentes están presentes e, con el fin de obtener la segunda fase (como se hace en lan o condensación a partir de la solución original. Cuando secompletamente de la solución sin eliminar la sal, puesto queiciones predominantes. Esta es la operación de evaporaciónarar soluciones en que todos los componentes son apreciabun líquido se calienta por encima de su punto de ebullición, líquido hierve y se producen grandes cantidades de vapor qse enfrían vuelven a pasar al estado líquido. Este proc

de manera que no se pierdan los vapores, y el líquido condeirviente, puede servir para separar diferentes componentes dstilación. El esquema de al lado representa una instalaciónr calor a la mezcla de líquidos, esta hierve y los vapores se ador por el que circula un refrigerante, estos vapores al e frías, vuelven a condensar y terminan en el recipiente colectso de mezclas de líquidos con diferentes temperaturas dque se forman durante el calentamiento son muy ricos

, de manera que la primera parte del destilado contiene gmás volátiles y va quedando en el recipiente la mezcla d, si este proceso se repite varias veces bajo determinadas cpueden separarse en sus componentes individuales o enntes con diferente grado de volatilidad y se denomina destil

de los componentes de una solución líquida, de amoniacon aire, el cual es básicamente insoluble en el líquido, el am forma pura, porque se mezcla con el vapor de agua y el air

solución y crear, de esta forma, una fase gaseosa que conen amoniaco que el líquido residual, se ha logrado cierto graases, o mediante evaporaciones y condensaciones repetida quiera y recobrar, en consecuencia, los dos componentes

1

SA ICA

ERÍA DE GAS

ETRÓLEO.

ón de las sustancias entre una s en las dos fases. En vez de n la absorción o desorción de se separa una solución de sal ue esta última, para todos los ión. iablemente volátiles.

de acuerdo al diagrama de or que escapan de él, si estos roceso hecho en un sistema densado pueda separarse de

es de una mezcla y se conoce ión de destilación simple. se conducen por un tubo a un al entrar en contacto con las lector de abajo. s de ebullición, los primeros os en los componentes más e grandes cantidades de los de los componentes menos s condiciones, las mezclas de en mezclas más simples de stilación fraccionada.

iaco y agua. Si la solución de amoniaco puede desorberse, aire. Por otra parte, aplicando consta únicamente de agua y grado de separación. tidas, es generalmente posible es de la mezcla con la pureza


ING. J. ISIDRO CHIRINO H. 2

Son claras las ventajas de un método de separación como éste. En la destilación, la nueva fase difiere de la original por su contenido calorífico, pero el calor se incrementa o se elimina sin dificultad; por supuesto, debe considerarse inevitablemente el costo de aumentarlo o eliminarlo. Por otra parte, las operaciones de absorción o desorción, que dependen de introducir una sustancia extraña, proporcionan una nueva solución, que a su vez quizá tendría que separarse mediante alguno de los procesos difusivos, a menos que la nueva solución fuera útil directamente. Algunos aspectos importantes para recordar de la destilación:

� La destilación es un PROCESO DE SEPARACIÓN TIPO COLUMNA. Sin tener en cuenta que sustancias se están separando, los principios básicos de diseño para la destilación siempre son similares.

� La asunción que las etapas en una columna de destilación están en equilibrio permite cálculos de concentraciones y temperaturas sin conocimiento detallado de modelos de flujo y calor, y velocidades de transferencia de masa. Esta asunción es una simplificación mayor.

� Un rehervidor ("reboiler”) tipo calderín y un condensador parcial son cada uno una etapa de equilibrio. � En general, si no están involucrados ningún azeotropo o corrientes laterales, se pueden separar n productos con n-1

columnas. � Es necesario que las composiciones del vapor y composiciones de líquido sean diferentes a las condiciones de equilibrio

que uno planea usar (es decir ningún azeotropo), por otra parte ninguna separación ocurrirá más allá de la condición azeotrópica.

� La destilación es diferente de la evaporación porque ambos componentes en destilación son apreciablemente volátiles. En evaporación, normalmente sólo un componente se vaporiza.

� Los productos necesitan ser térmicamente estables encima del rango de temperatura de operación. � Ningún componente corrosivo debe estar presente. � Ningún componente que reaccione exotérmicamente (es decir genere calor) debe estar presente. Estas reacciones

pueden "desbocarse" ("runawey") y formar condiciones explosivas. � La destilación es diferente de la absorción porque en la absorción se aprovecha las diferencias de solubilidad (absorción

física) o las reacciones específicas (absorción química). CLASIFICACIÓN DE LA DESTILACIÓN El proceso de destilación puede clasificarse:

A.- De acuerdo al número de componentes � � Binaria: cuando hay dos componentes � Multicomponentes: cuando hay más de dos componentes � Complejas: cuando el número y componentes individual no están

identificados como componentes, seudocomponentes.

B.- De acuerdo al tipo de separación. �

� Destilación en equilibrio, instantánea o Flash � Destilación diferencial, simple por carga � Destilación por arrastre de vapor � Destilación fraccionada

C.- De acuerdo a su operación. �

� Por lotes, carga o Batch � Continua � Atmosférica � Al vacío � Con vapor directo, etc.

Algunos tipos de destilación son: 1. Destilación simple 2. Destilación extractiva 3. Destilación destructiva 4. Destilación azeotrópica

5. Destilación al vacío 6. Destilación por membranas 7. Destilación por congelación 8. Destilación por arrastre de vapor

9. Destilación molecular centrífuga 10. Destilación de equilibrio o Flash 11. Destilación por lotes o Batch 12. Destilación continúa o por fraccionamiento



DESTILACIÓN EXTRACTIVA La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar. El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por tal razón debe tener baja volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de mezcla azeotrópica. La configuración típica para un proceso de destilación extractiva es mostrado en la fig. 2, en la cual se separan metil ciclohexano y tolueno. Estos dos componentes no forman un azeotropo, pero su volatilidad relativa es menos que 1,01 a bajas composiciones de tolueno. La volatilidad relativa de metil ciclohexano a tolueno es aumentada por la adición de un solvente. Esto permite la separación de estos dos componentes en menores etapas que las requeridas en destilación simple El solvente elegido es menos volátil que cualquiera de los dos componentes y, en razón a mantener una alta concentración de solvente a lo largo de toda la columna, debe introducirse a la columna de destilación extractiva por encima del plato de alimentación

Fig. 2. Diagrama de flujo simplificado para proceso de destilación extractiva para separar tolueno y metil ciclohexano

DESTILACIÓN DESTRUCTIVA Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.

Fig. 3. Proceso de destilación destructiva

La destilación destructiva o seca se utiliza para convertir materiales en bruto, por ejemplo, derivados de la madera, en productos químicos útiles. Los procesos típicos de destilación, como la desalinización, sólo llevan a cabo la separación física de los componentes. En cambio, la destilación destructiva es una transformación química; los productos finales (metanol, carbón de leña) no pueden ser reconvertidos en madera.



DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Mezcla azeotropica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen una temperatura de ebullición constante y fija, esta mezcla azeotropica se forma debido a que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un solo componente (fig. 4), esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo negativo. La mayoría de azeótropos son del tipo negativo. Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple, por lo que es necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica. Si las temperaturas son muy altas, se puede utilizar la destilación al vacio, lo que disminuye los puntos de ebullición de las sustancias, así como la proporción de las mezclas. La composición de la mezcla azeotrópica cambia si cambia la presión exterior, pudiendo incluso a desaparecer dicha mezcla. Esto ocurre porque la temperatura de ebullición depende de la presión exterior. En los grandes complejos petroquímicos, la destilación azeotrópica es utilizada desde decenios, siendo todavía el procedimiento más actual en el tratamiento de disolventes termolábiles no miscibles con agua e impurificados con contaminantes líquidos.

Fig. 4. Diagrama binario de una mezcla azeotrópica DESTILACIÓN AL VACÍO Debido a que muchas sustancias, que se desean separar por destilación, no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas próximas a sus puntos normales de ebullición (a una atmósfera de presión), por que se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancias con puntos de ebullición muy elevados demandarían gran cantidad de energía para su destilación a la presión ordinaria, se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida. El cual consiste en reducir la presión de operación para obtener la ebullición a temperaturas bajas, ya que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala la presión de operación. Se deben utilizar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden de 7 a 35 KN/m2, se pueden diseñar platos de capucha y perforados con caídas de presión cercanas a 350 KN/m2, torres de aspersión para caídas de presión de 0,015 psi, y columnas de aspersión agitadas mecánicamente y las de paredes mojadas para caídas de presión aún más pequeñas. La destilación al vacío se utiliza en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separación de muchos productos sintéticos industriales (como plastificantes). Un ejemplo usual sería la destilación al vacío como operación complementaria en la destilación del crudo (petróleo), una vez destilado a presión ordinaria, como se muestra en la figura siguiente.



Fig. 5. Componentes generales de una torre al vacío.

DESTILACIÓN POR MEMBRANAS Destilación por membranas, esta es una técnica por membrana* que involucra transporte de vapor de agua a través de los poros de una membrana hidrofobia debido a la fuerza que ejerce la presión de vapor provista por la temperatura y/o la diferencia de concentración del soluto a través de la membrana. En este método, las superficies de las membranas están en contacto directo con dos fases líquidas, una solución caliente y una fría. Como ha sido entendido, hay una diferencia de temperaturas pero el equilibrio térmico está bien establecido. Este método está basado en un flujo a contracorriente de un fluido con diferentes temperaturas. La corriente de entrada de agua de mar fría fluye a través de un condensador de paredes no permeables.

Fig. 6. Diagrama de flujo de una destilación por membrana.

Este sistema trabaja con un par de tubos, un condensador y un evaporador. Estos tubos están separados por un hueco de aire. La pared del evaporador está hecha de una membrana hidrofobia. Las membranas recomendadas son aquellas con un 60-80% de porosidad y un tamaño de poro de 0.1-0.5x10-6 m. vapor de agua puro pasa a través de las membranas, mientras los sólidos (sales, minerales, etc.) se quedan del otro lado de la membrana. Como fue mencionado, la diferencia de temperaturas de los fluidos, generan una diferencia de presión de vapor, la cual, obliga al vapor para que pase a través de los poros de la membrana del tubo del evaporador y este se condensa en el hueco de aire, de esta forma el calor es parcialmente recuperado. *Las membranas son las películas finas de material poroso que se pueden utilizar para varias separaciones químicas. Aunque muchas membranas se hacen de las películas del polímero, también pueden estar hechas de cerámica, de fibra de carbón, y de sustratos metálicos con poros. Los poros pueden medirse en dimensiones atómicas (< 10 angstrom) hasta 100+ micrones.



Fig. 7. Proceso de destilación por membranas

DESTILACIÓN POR CONGELACIÓN La destilación por congelación es un interesante proceso, pues pudiera considerarse contraria a lo que se conoce como destilación, no en cuanto a sus resultados, sino en cuanto a su proceso, mientras que la destilación "común" basa su principio de separación en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes, la destilación por congelación opera por la diferencia en los puntos de congelación, dicho de otra manera, las fases pueden separarse gracias que una (o varias) de ellas, se encuentra en estado sólido. Como es de esperarse hay sistemas en los cuales este proceso cuenta con una efectividad mucho mayor que la destilación común (es de esperarse que esto dependa de las propiedades del sistema), entonces ¿por qué no es tan difundido este proceso? Pondremos 2 ejemplos para ilustrar este detalle:

1. La desalación a fin de obtener agua potable, aunque este proceso no se considera propiamente una destilación, algunos autores insisten en mencionarla como tal, sin embargo esto resulta bastante ilustrativo: Resulta que energéticamente, contrario a lo que se piense, el proceso es más rentable, pues la relación entre el calor latente de vaporización y el de fusión del agua es de 6 aproximadamente, es decir que solamente se ocupa un sexto de la energía para cambios de estado, además, el hielo es separable de las sales que pueda contener, entonces ¿por qué la desalación de agua no se hace por congelación? Respuesta.- por la dificultad mecánica para manejar el hielo, este ejemplo nos ilustra el hecho de que aunque un proceso pueda resultar mejor que otro, tienen que analizarse los pasos siguientes con el fin de estudiar la rentabilidad adecuada del proyecto

2. En la preparación de vodkas finos, puede apreciarse que el agua y el alcohol son separables por evaporación, el punto de evaporación del alcohol oscila por el orden de los 76ºC y el del agua los 100ºC, sin embargo el pequeños detalle de un azeotropo origina una limitante, ahora si tomamos como referencia que el alcohol pudiera ser un anticongelante (su punto de fusión se encuentra a los -117ºC) y que el punto de fusión del agua se encuentra alrededor de los 0°C, resulta clara que la limitante no es la naturaleza de los componentes, a su vez como se menciono anteriormente la cuestión energética más bien es una ventaja, entonces ¿cuál es la limitante en este sistema? Respuesta: la cuestión económica, como se menciono anteriormente resulta que la utilización de este procedimiento eleva el costo del producto, un ejemplo es el Stolichnaya Elit un vodka de origen ruso, cuyo valor en el mercado es superior a los 60 dólares, ¿Entonces, por que se utiliza este sistema?, porque de esta manera se presume que el vodka cuenta con un sabor sedoso, profundo, supremo. además de las cuestiones sociales, como que este vodka únicamente se comercializa en tiendas de delikatessen, restaurantes elegantes y hoteles de 5 estrellas, los creadores advierten que únicamente debe ser consumido con hielo, agua fría o ingredientes fríos, nada de jugos de fruta u otros elementos que enmascaren su sabor superior.



Un punto a resaltar es que este proceso se asemanera de purificación (recordar que en descienden de los cero grados centígrados concual se consideraba muy rudimentaria. Este interesante fenómeno además, se presecongelar diversos líquidos, un caso que algunes el de la soda, (eso explica el mejor sabormás concentrada) y otras bebidas gasificadas, entre otros.

DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR Es una técnica aplicada en la separación de suseparar una sustancia de una mezcla que poseDe otra manera, la destilación por arrastre de una mezcla formada por éste y otros "no volátien el seno de la mezcla, denominándose este "volátil, sino condensarse en el matraz formandsu evaporación. En este caso se tendrán la prelo tanto, cada líquido se comportará como si el vapor y corresponderá a la de un líquido purcontaminadas por grandes cantidades de impuque no se arrastran.

Fig. 8. Diagrama de H

asemeja mucho a su antigua n Rusia las temperaturas con frecuencia) del vodka, la

esenta de forma "casera" al una vez se ha presenciado

bor, pues esta se encuentra s, así como jugos y vinagre,

Separación de una bebida gasificamétodo de destilación por con

sustancias poco solubles en agua. La destilación por arrastrosee un punto de ebullición muy alto y que se descomponende vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectivalátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vte "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la dndo otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la m

presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilaciói el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejpuro a una temperatura de referencia. También se emplempurezas resinosas y para separar disolventes de alto pun

e Hausbrand

En 1918 Hausbranpresión de vapor úarrastre. Se grafitemperatura a tres py 70 mmHg (curvcuales se les conocsu vez graficó la ptemperatura para destilar (curvas ascde la curva de agdestilar nos proporcual se dará la dest

7

icada utilizando el congelación

astre de vapor se emplea para en al destilar. tiva del componente volátil de e vapor de agua directamente a de "arrastrar" el componente mezcla a destilar para lograr

ación (orgánica y acuosa), por ejercerá su propia presión de plea para purificar sustancias punto de ebullición de sólidos

rand publicó un diagrama de r útil para la destilación por

raficó Ptotal - PºH2O contra s presiones totales: 760, 300 urvas descendentes) a las

noce como curvas de agua. A a presión parcial (Pº) contra ra diversos materiales a

ascendentes). La intersección agua con la del material a

porciona la temperatura a la estilación por arrastre.



La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado (volátil) formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua fácilmente. DESTILACIÓN MOLECULAR CENTRÍFUGA Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Por ejemplo, la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilación molecular centrífuga. La destilación molecular centrifuga es una técnica de depuración que tiene una amplia utilización en la industria química, procesamiento de alimentos, productos farmacéuticos y las industrias del petróleo, así como la industria de productos químicos especiales.

1. Bomba de vacío 2. Bomba de difusión/ alto vacio 3. Chamber Trap 4. Vacuum Chamber w/Condensador 5. Rotor 6. . Rotor calentador 7. . Línea de la válvula 8. Hi-VCA de válvulas 9. . Trap Válvula 10. Degas válvula 11. Colector de residuos áspero / válvula de ventilación 12. Áspero destilado de colección / válvula de ventilación 13. Colector de residuos 14. Destilado de colección 15. Destilado Colección de válvulas 16. Válvula de recogida de residuos 17. Rotor de alimentación de válvulas 18. Válvula de reciclaje de residuos 19. Desgasificador de válvulas de alimentación 20. .Desbaste válvula P - manómetro de vacío

Fig. 9. Equipo utilizado en la destilación molecular centrifuga.



DESTILACIÓN EN EQUILIBRIO O FLASH La destilación flash o destilación en equilibrio, es una técnica de separación de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es líquida, se alimenta a un intercambiador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpía vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande (tambor de separación) donde el líquido y el vapor se separan. Como el vapor y el líquido están en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se aproximan al equilibrio. Los procesos de separación flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinación de petróleo. Aunque se utilicen otros métodos de separación, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos. DESTILACIÓN POR LOTES O BATCH En las destilaciones por lotes, llamadas también Batch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos se vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilaciones que ocurren en los laboratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde al compuesto más volátil. En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composición de la carga inicial cambia con el tiempo. Esto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente y decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza la destilación. La destilación por lotes se utiliza en los siguientes casos: 1. Cuando la capacidad requerida es tan pequeña que no permite la operación continúa a una velocidad práctica. Las bombas, reboiler, tuberías y equipos de instrumentación generalmente tienen una capacidad mínima de operación industrial.

Fig 10. Columna de destilación por lotes con rectificación 2. Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operación por lotes generalmente tiene mayor flexibilidad de operación que los que operan en forma continua. Esta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto. 3. La destilación intermitente se utiliza también cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de sólidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso. DESTILACIÓN FRACCIONADA La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol.



Fig. 11. Diagrama de la destilación fraccionada del

petróleo

Fig.12. Diagrama del proceso de destilación del etanol

Fig.13. Imagen de la destilación de etanol a nivel industrial

1.1. FRACCIONAMIENTO DEL PETRÓLEO Y GAS El petróleo, cuando se extrae del pozo, no es un componente útil prácticamente; para ello, es fundamental sepáralo en diferente fracciones para aprovechar sus características. A dicho proceso se le llama refino del petróleo. La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuel óleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y los aceites lubricantes. El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrógeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas y cadenas de moléculas. Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para las personas. El conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados “procesos de refinamiento”. Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento.



Antes de comenzar este proceso se realiza undel petróleo, puesto que no todos los petróleos se pueden extraer las mismas sustancias. A cuna serie de refinados “piloto” donde se exescala todas las operaciones de refino. Unapasos a realizar, se inicia el proceso. La rectificación continua, o fraccionamiento,destilación a contracorriente en varias etapas. Psolución binaria, con algunas excepcionesmediante este método la solución de sus cocada componente en el estado de puProbablemente, la rectificación es el método con mayor frecuencia, aunque es relativamenteEl número de torres de fraccionamiento requerlos productos licuables a obtener. En la figesquema de las torres de fraccionamiento qrecuperación de hidrocarburos líquidos. La unidad de fraccionamiento se utiliza complejas de gas en productos individuales. Emezcla en sus componentes se efectúa basárelativa (α ) de cada uno. Las dificultades edirectamente relacionadas con la volatilidad rdel componente básico. Virtualmente todo el una planta para obtener hidrocarburos licuabuna torre de fraccionamiento para ponerespecificaciones técnicas normalizadas, comercialización.

En el regenerador se aplica calor para gasificardesciende y deja la columna por la parte supeenfriamiento, se convierte al estado líquido. Una vez licuado, ingresa nuevamente en la tosuperior con la corriente gaseosa. A los efectos de lograr una eficiente separacióentre sí, para lo cual se intercalan en la torre acontacto entre el líquido y la corriente de gas deUna vez que los hidrocarburos líquidos han sidvendibles. Las corrientes de productos más comse encuentran combinados y se los llama Gase

un análisis de laboratorio os son iguales, ni de todos A continuación se realizan experimentan a pequeña na vez comprobados los

to, es una operación de s. Por lo general, para una nes, es posible separar componentes y recuperar pureza que se desee,

do de separación utilizado nte nuevo. ueridas está en función de figura 14 se muestra un

o que se utilizarían en la

a para separar mezclas s. El fraccionamiento de la asándose en la volatilidad s en la separación están d relativa y la uniformidad el gas que se procesa en

uables, requiere al menos ner al producto en las s, para su posterior

Fig. 14. Columna de

icar al líquido. Este gas asciende por la columna mientras vauperior ingresando en un condensador, donde debido a la

a torre como reflujo, para evitar que el componente más “

ación de los componentes, es necesario que las dos fasese a determinados espaciamientos, bandejas o laberintos ques dentro de la columna. sido retirados de la corriente de gas, deben ser separados comunes son el C3, C4 y C5+. Por lo general en la etapa dases licuados de petróleo (GLP).

11

de Fraccionamiento

va contactando al líquido que a la acción de un sistema de

s “pesado” salga por la parte

es tengan un íntimo contacto que provocan justamente este

os en corrientes de productos a de producción, el C3 y el C4



La fase gaseosa en esta etapa, será enfriada dando como resultado la condensación de alguno de los componentes más pesados mientras la fase líquida será calentada desprendiendo los componentes más livianos. En realidad los componentes más pesados se alojarán en el fondo de la torre y el producto es denominado usualmente “producto de fondo”. En el proceso, la fase líquida es continuamente enriquecida por los componentes livianos, conformando el “producto de la cabeza”. La parte gaseosa saliendo por la cabeza de la columna, puede ser total o parcialmente condensado. En un condensador total, todo el vapor será condensado y en forma de líquido regresará a la columna componiendo el “reflujo”, manteniendo la misma composición que el destilado que sale por la cabeza de la columna o torre. En la mayoría de los casos, sólo una parte de la fase gaseosa entra en el condensador para convertirse en el líquido necesario para el proceso de reflujo. El gas, en condiciones de equilibrio con el líquido, continuará el circuito de proceso, fuera de la torre. La separación de estas corrientes de productos se denomina fraccionamiento y se lleva a cabo por medio de la utilización de torres de fraccionamiento. COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO Una columna de fraccionamiento, también llamada columna de platos o columna de platillos, es un aparato que permite realizar una destilación fraccionada. Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación sencilla y continua. La destilación fraccionada es una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos. Fundamento teórico El fundamento teórico del proceso consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a un vapor más rico que la mezcla en el componente más volátil (destilación simple). El vapor pasa a la parte superior de la columna donde condensa. Como la temperatura sigue aumentando, a su vez este condensado se calienta dando lugar a un vapor aún más rico en el componente más volátil (más ligero, de menor punto de ebullición), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilación simple). De la misma forma el líquido condensado de cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna, haciéndose cada vez más rico en el componente menos volátil. Esto tiene como consecuencia una serie completa de evaporaciones y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. Estos ciclos de evaporación-condensación equivalen a múltiples destilaciones simples, por lo que la destilación fraccionada es mucho más eficiente que la simple, y permite separar incluso líquidos de puntos de ebullición parecidos. El proceso se repite tantas veces como sea necesario, y a cada uno de estos pasos se le denomina etapa o plato. Con un número de platos suficiente se obtiene por la parte superior el componente más volátil de la mezcla y por la parte inferior el menos volátil.

¿QUÉ ES UNA TORRE DE FRACCIONAMIENTO?

Es cada uno de los cilindros verticales, altos y de gran diámetro, que suelen configurar el entorno de una refinería. Aunque tal cosa no se descubre a simple vista, están organizados para sacarle al petróleo los diferentes componentes, desde los más livianos hasta los más pesados. Cada una de las torres se encarga de retirarle una porción a la cadena de hidrocarburos. Al comienzo saldrán los más livianos y, progresivamente, los pesados; hasta dejar los bitúmenes pastosos que ya no aceptan mayores cortes. Con el gas natural ocurre lo mismo, pero en este caso se trata de la separación de los integrantes más livianos de la cadena de hidrocarburos.



Cuanto más arriba estamos en la columna de fvolátil. Y a la inversa, cuanto más abajo estamoel componente menos volátil. Es necesario cale Clases. La columna de fraccionamiento puedingeniería química o ingeniería de gas, pero enparte superior un condensador. En el caso de material que asegure el máximo contacto entresimilares. En el caso de una instalación industrial la columque permite el ascenso del vapor desde el platsobre el líquido contenido en el plato. Así se asen el plato inferior. Aquí todos los componentes Diseño. El número de etapas o de platos necees más que la combinación de una serie de desuperior al de platos teóricos calculados. De columna, el tipo de relleno o de platos, etc. Lpuntos de ebullición de los componentes de lcomponentes. Aplicación. La principal aplicación en el laborauso industrial, con mucha mayor importancia qcaso de este último, se utiliza para separar o fotros, con la finalidad de obtener dicho compon

LasequLafraunOinEdimlaLadinasi

El porcentaje de extracción con respecto a la partir de la cantidad de átomos de carbono de c

% Salida Temp. de2

15 a 20 35 a 20 20

10 a 40 30Residuo +

e fraccionamiento, menor es la temperatura y mayor la riqumos en la columna de fraccionamiento, mayor es la temperalentar continuamente para que el proceso continúe.

ede ser tanto un aparato de laboratorio como una instala en ambos casos existe en la parte inferior un aparato que

de un aparato de laboratorio normalmente la columna es detre la fase líquida y la fase de vapor, como bolitas de vidrio

lumna está formada por una serie de platos, cada uno de eplato inferior, pero rematado por una cazoleta invertida que asegura el contacto entre el líquido condensado en el platotes son habitualmente metálicos.

ecesario para una determinada separación se puede calcul destilaciones simples. En la práctica el número de platos ree la misma manera en función del resultado buscado se

. La eficiencia de la separación depende de múltiples facte la mezcla, la presión a la que se trabaje y otros parám

oratorio es la separación de sustancias de puntos de ebullica que cualquier otro, es la destilación fraccionada del petró o fraccionar componentes propios de dicho gas como el monente libre de otros con los que normalmente viene acompLa destilación fraccionada se usa mucho en la industriseparación de los petróleos naturales en sus derivaqueroseno etc). La figura a la izquierda muestra un esquema de una típica fraccionada del petróleo natural, para dividirlo en las frauna torre real se separan mas fracciones, el esquema es sObsérvese que el petróleo calentado por el quemador entintermedio de la torre de destilación. En esta torre se controla la temperatura para obtener diferentes mezclas a diferentes niveles, de donde son emás pesadas terminan en la parte más baja mientras que la parte superior. La presencia de cenizas y componentes casi sólidos ediversidad de los petróleos naturales, la inmensa cantidanaturaleza compleja de las mezclas a obtener, hace quesimple como la destilación de una mezcla de simples líquid

la cantidad total del crudo, la temperatura de ebullición ye cada componente, se pueden ver en la siguiente tabla:

de Ebullición (°C) Átomos de C Productos Obt< 30 1 a 5 Hidrocarburos

30 – 200 5 a12 Gasolinas, n200 – 300 12 a 15 Querose300 – 400 15 a 25 Gas-oi+ de 400 + de 25 Lubricantes, a

13

iqueza en el componente más peratura y mayor la riqueza en

alación industrial propia de la que calienta la mezcla y en la de vidrio y está rellena de un rio, trozos de tubo de vidrio o

e ellos atravesado por un tubo ue obliga al vapor a borbotear lato y el vapor que ha ebullido

lcular teóricamente, ya que no reales necesarios es siempre se diseñan el diámetro de la actores como la diferencia de ámetros fisicoquímicos de los

llición próximos. Y el principal tróleo o del gas natural. En el l metano, etano, butano, entre mpañado. stria y en especial para la rivados básicos (gasolina,

ica instalación de destilación fracciones comerciales. En s solo ilustrativo. entra vaporizado a un punto

er la condensación de las n extraídas. Las fracciones ue las más ligeras salen por

s en el petróleo natural, la tidad de componentes y la

que este proceso no es tan uidos.

n y los productos obtenidos a

Obtenidos ros ligeros s, naftas seno oil

s, alquitrán



Como la temperatura cambia a lo largo de la tocomponentes más ligeros (y de menor punto delo es también la proporción de los componenteel petróleo crudo logra separarse en varias hidrocarburos de diferente número de carbonos

Tabla 1. Fraccion

Nombre Inte

Gas incondensable Éter de petróleo

Gasolina Querosina

Aceite ligero Aceite lubricante y grasas

Cera sólidAsfalto

Residuo 1.2. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN ELa Fig. 15, nos entrega un diagrama esquemáfundamentales que caracterizan el funcionamie

Fig. 15. Partes importantes de una to Empecemos con el análisis del lugar donde la punto de burbujeo (completamente líquido y lisalimentación y, al rebosarlo, empieza a caer helevadas que vaporizan las porciones livianas,

a torre; en la parte superior se tiene la más baja, donde se e de ebullición). Por el contrario, en la parte inferior la tempe

ntes pesados y menos volátiles. Como se colocan diversas ss fracciones, cada una con un diferente intervalo de tem

nos en su cadena (tabla 1).

iones del petróleo que abandonan la torre de destilación.

Intervalo de temperatura de ebullición (°C)

Número de carbonos

menor de 20 1 a 4 20 - 80 5 a 7

35 - 220 5 a 12 com200 - 315 12 a 16 comb250 - 375 15 a 18 co

mayor de 350 16 a 20 ólido que funde entre 50 y 60 20 a 30

sólido viscoso ----- sólido -----

N EL FUNCIONAMIENTO DE LA COLUMNA. emático de una torre de fraccionamiento, en el cual se obs

iento del sistema:

torre de fraccionamiento

1. Tope de la torre, sección

2. Zona inferior, sección de

3. Plato de alimentación.

4. Condensador de reflu

enfriamiento.

5. Bomba de reflujo.

6. Acumulador o tambor de

7. Rehervidor.

8. Gradiente de temperatura

la alimentación entra a la torre. En ese plato es convenien listo para empezarse a evaporar). Al entrar a la destilador

er hacia los platos del fondo. A medida que desciende ens, produciendo un líquido cada vez más pesado.

14

e encuentran en equilibrio los peratura es mucho más alta y s salidas laterales en la torre, temperaturas de ebullición e

Uso

combustible disolvente

ombustible de autos mbustible de aviones combustible diésel

lubricante velas

pavimento combustible

observan algunos parámetros

ón de rectificación.

de despojamiento.

eflujo y medio de

de reflujo.

tura dentro de la torre.

iente que el fluido llegue a su dora el fluido llena el plato de encuentra temperaturas más



Este fluido recircula en el rehervidor y se calienen estado gaseoso. El vapor, cargado de compcondensan las partes pesadas que, a su vez, coEl vapor - en permanente ascenso dentro de lacolumna. De allí pasa por el condensador de reUn condensador parcial es aquel que corresponla porción que regresa a la torre como reflujolíquido y así se llevan al mercado. La produccpunto de burbujeo. Es obvio que si sale parcialmEn consecuencia, el condensador parcial, setotal, debe trabajar a su punto de burbujeo. Asparte sale del sistema, en estado líquido; y la oa su punto de rocío, en el cual, se fija la tempereflujo). De aquí se deduce que, cuando se establececondiciones de trabajo de la torre. Y de la micantidad de flujo que se debe retornar y el númObsérvese de nuevo la figura que nos sirve procedente el tambor de reflujo, llena el plato sque todavía transporta el gas antes de salir defuera de la torre y, obviamente, se producAdicionalmente, el producto del tope sale fueraLa figura 16, presenta un esquema real de unatemperatura. El análisis detallado de la figura co

Fig. 16. Compos

lienta evaporando una parte del mismo, que regresa a la torrmponentes pesados, sube y, a medida que asciende, encue, contribuyen a llenar cada bandeja. e la torre - va quedando libre de las partes pesadas hasta qe reflujo en el cual se licua parcial o totalmente. ponde a un producto de tope en estado gaseoso. En ese ca

lujo. Cuando se trata de un condensador “total”, los fluidosucción sale por el fondo de la torre también en estado líquialmente vaporizado va a producir cavitación en las bombas se diseña para el punto de rocío del producto del tope, mi Así, cuando los vapores que abandonan el último plato, se a otra, regresa a la torre como reflujo. Este condensador esperatura al nivel necesario para producir la cantidad de líqu

ece la manera como ha de separarse la alimentación, se misma manera, el grado de pureza que se desea en el púmero de platos que se requieren para garantizar la operaciórve de referencia. (Fig. 15), la cantidad de líquido que reo superior y actúa como un filtro, en estado líquido, que ret de la torre. Si se elimina el reflujo desaparece el filtro queduce una cantidad excesiva de condensado en el sepaera de especificaciones. na torre depropanizadora con la composición y los diferente

a contribuirá a entender mejor las condiciones del diseño.

osición de los hidrocarburos en la torre depropanizadora

15

torre como un reflujo de fondo cuentra puntos fríos donde se

a que llega al tope y sale de la

caso solamente se condensa dos del tope salen en estado líquido y, por lo general, a su as.

mientras que el condensador se condensan totalmente, una estará diseñado para trabajar íquido que requiere la torre (el

se está decidiendo sobre las el producto del tope define la ción. regresa al tope de la torre,

retiene las partículas pesadas ue evita el arrastre de líquido eparador o en las tuberías.

entes parámetros de presión y



A su vez, la figura 17, describe los diagramas dy fondo) de una torre tomada como ejemplo, composición de la alimentación y la separación

Fig. 17. Diagr El tope, con un 98,0 % de propano, se compory el fondo de la torre se corresponden con mecondiciones de trabajo (presión y temperatura) La figura 18, presenta un esquema con la distribución molar de los productos en el tope. En el cual se aprecia lo siguiente: � Tasa molar del producto que

sale por el tope, en estado gaseoso (V).

� Destilado o producto del tope, en estado líquido (D).

� Reflujo (tasa molar) que regresa a la torre (L).

� Razón de reflujo con respecto al tope (L/D).

Las cifras, explican – por sí solas – el comportamiento del reflujo en el sistema.

s de fases de los diferentes productos en la torre depropanlo, lo cual permite apreciar las características de estos fluión que se haga de ella, determina el diseño de la torre.

agrama de fases superpuestas en la depropanizadora

porta como un producto puro, o con alto grado de pureza, m mezclas de multicomponentes. En los diagramas de fasesra) con cada uno de los productos.

Fig. 18. Parámetros más importantes de una

16

anizadora (Alimentación, tope fluidos y la manera como, la

, mientras que la alimentación es respectivos se aprecia las

una torre



Obsérvese que la cantidad de fluido que regresa a la destiladora es mucho mayor que el producto del tope. En este ejemplo, se debe retornar a la torre, como reflujo, casi el doble de lo que se produce por la parte superior. Eso nos habla de la importancia del reflujo y la necesidad de hacer estos cálculos durante el diseño de la planta. Es conveniente advertir que este comportamiento está definido por la composición de los productos que lleguen a la torre y la partición que de ellos se haga. Así, cuando la alimentación entra parcialmente vaporizada, todo el vapor en exceso deberá condensarse para devolverlo a la columna en estado líquido. En ese caso estamos operando de manera indebida. El costo de la condensación excesiva representa gastos innecesarios. Más aún si recordamos que la cantidad de energía que se retira por el tope se debe compensar inyectando calor por el rehervidor, para mantener el sistema termodinámicamente equilibrado. Y, de la misma manera, cuando la torre tiene un número de platos menor de lo debido se debe aumentar el reflujo para operar en condiciones satisfactorias, de donde la operación resulta antieconómica. EL REFLUJO Y EL NÚMERO DE PLATOS EN LA TORRE. El reflujo está íntimamente ligado al número de platos que tenga la columna, en la Fig. 18 se aprecia el comportamiento. Las expresiones que siguen ayudarán a entender el tema: Número mínimo de platos: establece el menor número de bandejas o etapas de burbujeo que debe tener la torre para que pueda funcionar. Lo cual supone que todo el producto del tope se condensa y se regresa a la torre. Reflujo mínimo: indica la menor cantidad de líquido que debería retornar a la torre si se utilizara un número infinito de etapas de equilibrio. Obviamente son conceptos teóricos que establecen los límites de la operación. Por lo general una razón de reflujo (L/D) igual a 1,25 -1,8 nos conduce al número de etapas o platos de burbujeo con las cuales la torre podría trabajar de manera satisfactoria. Esto nos habla de la conveniencia de diseñar con los platos requeridos para hacer funcionar la columna dentro de un esquema óptimo-económico. Ya hemos dicho que, en condiciones normales de operación, la alimentación debe entrar a su punto de burbujeo. Imaginemos ahora que el producto entre a la torre con un alto grado de vaporización: � La cantidad de gas que se mueve hacia el tope de la torre será excesiva. � El producto en exceso se debe condensar, para regresarlo como reflujo. � Para obtener la condensación excesiva se debe incrementar la tasa del fluido de enfriamiento en el condensador de reflujo. � Como consecuencia de lo anterior, también se debe aumentar la cantidad de calor en el rehervidor, con el fin de mantener el

equilibrio termodinámico. Lo cual implica el empleo de una mayor tasa energética en el condensador. � Al incrementar el costo de la energía, el producto pudiera salir demasiado costoso y, por lo tanto, quedaría fuera de

competencia en el mercado. Así se observa que las condiciones a las cuales entra la carga a la torre y el reflujo correspondiente están íntimamente ligadas con: � La carga calorífica del condensador. � La carga calorífica del rehervidor. � La capacidad del acumulador de reflujo. � La capacidad máxima y mínima de los platos de burbujeo instalados en la torre. Lo que, en efecto establece una permanente correlación entre los diferentes parámetros y equipos del sistema. Una revisión ligera del glosario nos permitirá reforzar los conceptos y comprender mejor el comportamiento del sistema: Acumulador de reflujo: equipo ubicado a la salida de la torre de regeneración que recibe el fluido del tope de la torre, una vez condensado, con el fin de garantizar el reflujo y la calidad del producto de tope. Se encuentra en las columnas de fraccionamiento y de endulzamiento del gas natural, por ejemplo. Separador ubicado inmediatamente después de un condensador, que se usa para almacenar los líquidos que serán enviados como reflujo a la parte superior de la torre de fraccionamiento. Bomba de reflujo: equipo usado para devolver a la torre una porción condensada del fluido que sale por el tope, con el fin de garantizar el funcionamiento del sistema. Condensador parcial: aquel que condensa una parte de los fluidos que salen por el tope de la torre para proveer el reflujo.



Condensador total: el que condensa totalmente los vapores que salen por el tope de la torre. Una parte regresa a la torre en estado líquido para proveer el reflujo, y el resto se desprende del sistema como producto del tope. Número mínimo de platos teóricos: el que se corresponde con una torre que trabaja a reflujo total. Se refiere al número menor de etapas de equilibrio termodinámico que debe tener una torre de fraccionamiento para que pueda funcionar. Razón de reflujo: término que se aplica en los procesos de destilación para dar una medida relativa del volumen de reflujo, normalmente referida a la carga o al producto del tope. Razón entre la cantidad de producto del tope, bien con respecto a la porción que regresa como reflujo a los platos superiores de la columna o bien con respecto a la carga que alimenta la torre. Reflujo: en un proceso de destilación, es la parte del condensado del tope de la columna que se regresa a la torre para mejorar la pureza del producto del tope. Condensado del vapor que sale por la parte superior de la torre y que regresa a la columna en estado líquido para mantener el equilibrio termodinámico del sistema. También se habla de reflujo referido al producto del tope con respecto a la carga y al vapor que retorna al fondo de la torre, procedente del rehervidor. Se calcula con respecto al líquido total que sale del fondo de la torre hacia el rehervidor. Rehervidor: equipo por el cual se introduce la energía a la planta. Suple las deficiencias energéticas y se encarga de balancear termodinámicamente el sistema. Recipiente que recibe los fluidos que salen por la parte inferior de la torre. El calor que se introduce en el rehervidor vaporiza parcialmente los fluidos (reflujo del fondo) y genera un vapor que regresa a la torre para mantener el equilibrio del sistema. Relación de reflujo: razón entre el número de moles que salen por el tope de la torre con respecto al número de moles que regresa como reflujo. De manera general se dice que el reflujo puede estar en el orden de 1,25 veces lo que sale por el tope. Tambor de reflujo: separador horizontal que recibe el fluido que sale del tope de la torre una vez que pasa por el intercambiador de calor, donde se condensa de manera parcial o total, para suplir la necesidad de reflujo que mantiene la torre en funcionamiento. Torre de fraccionamiento: cilindro hueco en el cual se coloca un relleno o platos de burbujeo para separar los hidrocarburos aprovechando sus propiedades. La presión es más o menos constante, pero la temperatura aumenta del tope al fondo. Los vapores del fondo van subiendo hasta el tope a medida que se van purificando, hasta lograr la separación deseada. El diseñador escoge la forma de hacer la separación y, en consecuencia, aparecen el diámetro, la altura, las condiciones de presión, la temperatura, el reflujo y el número de platos necesarios para efectuar el trabajo. CONCEPTOS DE EQUILIBRIO DE LAS ETAPAS. Una columna de fraccionamiento debe ser considerada como una serie de instantáneas transformaciones (flashes) de equilibrio, con dos alimentaciones y dos corrientes de flujos en contracorriente. En la figura 19, se puede observar que el gas entra desde la parte inferior de la columna a alta temperatura y el líquido se incorpora por la parte superior a baja temperatura. Se producirá la transferencia de calor y masas de tal manera que en la columna de procesamiento se presentará el punto de evaporación en el líquido y el punto de rocío o condensación en el vapor bajo las mismas condiciones de presión y temperatura. La composición de estas fases es relativa a la relación de equilibrio. Esta relación, que analizaremos más adelante, compromete al calor aplicado y las consideraciones del balance de materiales y compone la base para todo diseño de torres fraccionadoras.

Fig. 19. Modelo de fraccionamiento básico.



TIPOS DE FRACCIONADORAS El número y tipo de torre fraccionadora dependLos típicos equipos de fraccionamiento para la

� Desmetanizadora [Demethanized Prod� Deetanizadora [Deethanized Product (� Mezclas de Etano/Propano [Ethane/Pr� Propano Comercial � Mezclas de Propano/Butano (LPG) � Butano(s) � Butano/Mezclas Gasolina � Gasolina Natural � Mezclas con presiones de vapor espec

Fraccionadora de diferentes tipos más comúnm

Tipo de Fraccionadora

Alimenta

Demethanizer C1/C2Deethanizer LPG

Depropanizer Fondos del dee

Debuthanizer Fondos del Desp

Deisobutanizer Tope del Debu Ejemplo de una Columna Debutanizadora

ende del producto que se necesita obtener y del producto la obtención de productos típicos de NLG son:

roduct (C2+)] ct (C3+)] /Propane mixtures (EP)]

pecíficas.

nmente utilizadas en plantas de gas:

ntación Producto de Tope (Top product)

Pr(B

/C2 Metano PG Etano Pr deetanizador Propano B

espropanizador Butanos (iso + n) Gaso

ebutanizador Isobutano

En el siguiente esquema se aprecia un ejefraccionamiento en cascada o tren de fraccionamie

19

to de alimentación disponible.

Producto de Fondo (Bottom product)

Etano Propano plus (C3+) Butano plus (C4+)

solina Natural (Pentano plus C5+)

Butano Normal

ejemplo de un sistema de miento:



Para describir el proceso de fraccionamiento etano y por lo tanto será tratado en una colurecibirá 380 moles hora de producto crudo, cony 76,5 de componentes más pesados. El proceso descripto, prevé la elevación de la tepara el reflujo. Bajo tales condiciones el etano de procesamiento de otros derivados y por la paEn la segunda etapa del tren de proceso, medreflujo y 280 ºF para el proceso del líquido en emás pesados , ingresarán en la tercer torre. La tercera etapa opera a 100 psia para obtenacondicionamiento en el fondo a 250 ºF. De esparte superior el butano y por la inferior sestabilizada. De esta forma, tal como se mueproceso obtiene los componentes más livianootra forma, en todas las etapas el productosuperior y el más pesado por la inferior, elementos del compuesto que tendrán finalmcondiciones de venta, según sus usos. A continuación se observa un corte de una torrcon el objeto de mostrar el diseño interior parde las fases, donde se aprecian las bandejasburbujeo. En las siguientes figuras, (fig. abajo), se podrmostrando también los diseños interiores de econtacto en la disposición de laberintos de uno,

La reconversión en el fondo de la torre de fracclíquido que pasa por el calentador o caldera, suEste es el caso de la utilización del reboiler también puede ser realizado con intercambiadoEl circuito de circulación puede ser por termoesquema:

to de este tren asumimos que el producto de ingreso conolumna deetanizadora. Esta columna estará diseñada paracon 170 de propano (C3), 1,5 de metano (C1), 24,6 de etan

la temperatura en el fondo a 240 ºF y el acondicionamiento ano saldrá por la parte superior de la torre hacia un circuito da parte inferior se obtendrán los más pesados, como el propa

ediante el mismo sistema y bajo 313 psia de presión, conn el fondo, se obtendrá el propano por la parte superior de

tener un reflujo de 135º F y un esta forma se recuperará por la r se obtendrá gasolina natural uestra en el cuadro anterior, el nos en cada etapa, o dicho de cto liviano se va por la parte r, fraccionando los diferentes lmente distintas aplicaciones y

orre fraccionadora (fig. derecha) para obtener un intimo contacto jas y el detalle de las torres de

odrán observar otros esquemas e estas torres con el sistema de no, dos, tres y cuatro pasos.

Reboiler de la co

accionamiento de los líquidos en gases se hace por el increm, superando la temperatura de burbuja para las condiciones dler o calentador, pero el intercambio de calor o la incorpoadores con aceite caliente o gas. mosifón o bien por circulación forzada por bombas como

20

contiene una alta cantidad de ara operar con 425 psia que tano (C2), 106 de butano (C4)

to a 95ºF en el tope de la torre o de gas combustible o planta opano y superiores. on 135º F de temperatura de de la torre y los componentes

columna fraccionadora

remento de la temperatura del es de presión establecidas. rporación del calor al líquido,

o se observa en el siguiente



CIRCUITO POR TERMOSIFON

TERMOSIFONES VERTICAL Y HORIZONTAL

EJEMPLO DE CALENTAMIENTO E INTERCA

TAL

CAMBIO DE CALOR

21



En cuanto al producto líquido estabilizado de lapara el reciclo. Las posibles formas de recolecadjunta.

PROPÓSITO DEL FRACCIONAMIENTO. Cualquier planta de procesamiento de gas quepara producir un líquido que cumpla con las esuna mezcla de hidrocarburos líquidos, ciertas frPara separar una corriente líquida de hidrocarbforma si lo que se requiere es estabilizar la coplanta, para recuperar las fracciones de pentanfracciones de pentano y más pesados, los cuasalen por la cima. Generalmente esta fracción de cima (tope) de bEl producto de fondo se vende como condensala cual se determina el tipo de tanque de almaesféricos, cilíndricos horizontales o verticales cventeo). El número total de columnas de destilación depEn un sistema en el cual se recupera etano, Gcolumnas de destilación para las separaciones

� Separar el metano de los hidrocarburo� Separar el etano de los hidrocarburos � Separar el GLP y los C5+.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO. Antes de hacer cualquier cálculo en un problemde las consideraciones primarias, es el medio dEl producto de tope estará a las condiciones dvapor. La presión para cualquiera de estos punde enfriamiento. Típicamente los medios de enfriamiento usadoscaro. Un diseño práctico limita el proceso a 2temperatura de proceso entre 115° y 125°F en Con agua de enfriamiento se pueden conseguise requiere refrigeración mecánica, la cual es

e las columnas, se obtiene del fondo de la torre como el qulección y distribución del líquido hacia las distintas corriente

que produce líquidos del gas natural (LGN), requiere de a especificaciones de venta. Por lo tanto, el propósito del fracs fracciones que como productos deben cumplir especificaciarburos en varias fracciones, se requiere una torre de desti corriente de hidrocarburo condensado recolectado en el stano y más pesados (C5+), se utiliza una torre estabilizadorcuales salen por el fondo y las fracciones de butano y má

e butano y más liviano, se consume dentro de la misma plansado estabilizado, al cual se le controla en la torre la presión

macenamiento requerido (para gasolina natural 10 – 34 RVPs con domo; para gasolinas 5 – 14 RVP tanques con lecho

depende de la composición del alimento y del número de pr, GLP (mezcla de C3´s y C4´s) y el balance como C5+, se es siguientes:

uros de dos y más carbonos. os de tres y más carbonos.

lema de fraccionamiento, se debe determinar la presión deio de enfriamiento disponible para el condensador de reflujo.s del punto de burbuja para un producto líquido o del puntountos, se fija por la separación deseada de un componente

dos son aire, agua y un refrigerante. El enfriamiento con aire 20°F de aproximación con la temperatura ambiente en v

en la mayoría de los sitios. guir temperaturas de proceso entre 95 7 105°F. Para tempel es el medio de enfriamiento más costoso. Generalmente

22

l que se procesará calentando ntes, se muestran en la figura

e al menos una fraccionadora fraccionamiento es obtener de aciones. stilación por fracción. De otra

el separador de entrada de la dora en la cual se separan las más livianos (C4-), las cuales

lanta como gas combustible. sión de vapor Reid (RVP), con

VP, se recomiendan tanques ho flotante o de techo fijo con

productos a ser recuperados. se requiere un mínimo de tres

de operación de la torre. Una jo. nto de rocío para un producto nte y la temperatura del medio

aire normalmente es el menos n verano. Esto resulta en una

peraturas por debajo de 95°F nte es deseable operar a la



presión más baja posible para maximizar la volatilidad relativa entre los componentes claves de la separación. Sin embargo, en la medida que se reduzca la presión se requiere el cambio a un medio de enfriamiento más caro, lo cual no es una opción deseable. En algunos casos el producto de cima de una columna debe ser comprimido, en este caso una presión de operación alta es deseable para reducir la potencia de compresión. Otros puntos que deben ser considerados en la selección de presión son por ejemplo, el hecho de que si la presión de operación es muy alta, la temperatura crítica del producto de fondo puede superarse y la separación deseada no se alcanza. A manera de guía, mantener la temperatura de fondo es 50°F por debajo de la temperatura crítica favorece la separación. Adicionalmente, la presión no puede exceder la presión crítica del producto de cima deseado. La selección de un condensador parcial o total se fija según sea el producto de cima requerido. Para un producto líquido se utiliza un condensador total y para un producto vapor se utiliza un condensador parcial. Sin embargo, un producto final líquido puede ser producido en una torre como vapor y posteriormente ser enfriado a comprimido para producir el líquido deseado. Hay casos inclusive en los cuales la licuefacción aguas abajo es más económica. En muchos casos, el sistema de fraccionamiento con un condensador parcial es más económico y debe compararse contra costo adicional de los equipos aguas abajo. Antes de cualquier comparación económica, el diseño de la columna debe hacerse para ambos tipos de condensador, con varias relaciones de reflujo y varias presiones de operación. BALANCE DE MASA Y ENERGIA. Ley de conservación de la materia

Acumulación dentro del sistema

≡ Entrada por los límites

del sistema -

Salida por los límites

del sistema +

Generación dentro del sistema

- Consumo dentro del

sitema Si no hay generación o consumo de materia dentro del sistema

Acumulación = Entradas – Salidas Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme.

Entradas = Salidas Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia dentro de un sistema cerrado o aislado. Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción arbitraria o total de un proceso. El método general para resolver balances de masa (BM) es simple: 1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso. 2. Colocar en el diagrama los datos disponibles. 3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. 4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. 5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base. 6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido. Una vez logrado lo anterior, se estará preparado para efectuar el número necesario de balances de materia. � Un BM total. � Un BM para cada componente presente.



Diagra Balances combinados de materia y energía

c) es posible también escribir el balance de ene

Estas ecuaciones surgen de haber tomado chubiéramos tomado a la torre exclusivamente, a Ejercicios. 1- Una columna de destilación procesa 100 Kgde NH3 y el fondo 0,5% de NH3. En el condensTodas las entalpías se tomaron de la T de flujo

grama cualitativo de operación de destilación.

Qc: calor perdido en el condensador.Qr: calor cedido por el reboiler. Hi: entalpía de cada corriente por unrespecto a una T de referencia. Si seleccionamos como sistema al escribir las ecuaciones del balance dea) balance de material global F = D +W b) balance de material por componentComponente A

AenF AenD AenWFx Dx Wx= +

Componente B

BenF BenD BenWFx Dx Wx= +

energía que será como bien dijimos global (no es posible hac

F D WFH Qr DH WH Qc+ = + +

o como sistema al conjunto total, pero podríamos haber ete, al reboiler o al condensador por separado.

Kg/h de una mezcla 60% de NH3 y 40% de H2O. El producensador se extraen 1.000.000 Kcal/h. ujo correspondiente y con respecto a la misma T de referenc

24

unidad de masa tomándola

al conjunto total podremos de material.

ente

hacerlo por componentes).

r escrito otras ecuaciones si

ucto de cabeza contiene 99%

encia.



Se desea conocer qué cantidad de destilado y fondo.

HD= 119 Kcal/Kg

Balance de energía total

100 *133 58,5 *119 4

6960 8120 1000000 13300

1001780

F D BFH Qr DH BH Qc

Kg KCal KgQr

h Kg h

Qr

KCalQr

h

+ = + +

+ = +

= + + −

=

2- El estudio energético de una columna de dcalcular el caudal de agua (Kg/h) si ∆T= 20°C,

y de producto de fondo se obtendrá y qué calor debe entre

HB= 195 Kcal/Kg HF= 133 Kcal/Kg

Balance total 100= D + B Balance de NH3 100*0,6 *0,99 *0,05D B= + Despejando D = 100 - B y reemplazan

100*0,6 (100 )*0,9

60 99 0,99 0,05

60 99 0,94

3941,5 /

0,94

100 41,5 58,5

B

B B

B

B Kg h

F D B

D F B

D Kg

= −

= − +

= −

= =

= +

= −

= − =

19 41,5 *196 1000000Kg KCal

h h+ +

e destilación que realiza una determinada separación arrojóC, y hv1 si L/D=3,3206.

25

ntregarse en el evaporador de

,05 ………….(1)

zando en (1) )*0,99 *0,05

0,05

/

8,5 /

B

B

h

Kg h

+

rojó los siguientes resultados,



3. Una mezcla que contiene 46% en peso de a(CH3CO-O-OCCH3) se destila a presión atmovelocidad de 15000 kg/h. El destilado (que salede la parte inferior contiene 1% de la acetona eEl vapor de salida de la cabeza de la columcondensado se extrae del sistema en tanto quetorre va a un calentador de vapor, donde es pa23 % de anhídrido acético) vuelve a la columncon el vapor, constituye el producto inferior o taa.- Las velocidades de flujo y las composicib.- El calor que es necesario retirar en el co

4. Una columna de destilación separa 10000 recuperado del condensador en la parte alta decondensador proviene del tope de la columna ey el resto se separa. Supóngase que la comporelación entre la cantidad de producto de reflujo

e acetona (CH3COCH3), 27% de ácido acético (CH3COOH) mosférica. La alimentación entra a una columna de destale por el tope de la torre de destilación) es esencialmente a en la alimentación. umna entra a un condensador a 329 K y sale como líquque el resto se retorna como reflujo a la columna. El líquido parcialmente evaporado. La fracción vaporizada (3.2 % de mna a una temperatura de 398 K, y el líquido residual, tamb también llamado producto de cola de la torre. Determine:

siciones de los flujos de productos l condensador, QC (kJ/h)

00 lb/h de una mezcla formada por 50% de benceno y 50 de la columna tiene una concentración de benceno de 96%a es de 8000 lb/h. Una porción de este producto se regresaposición en el tope de la columna, el destilado y el reflujo

lujo y el producto separado (destilado).

Todas las composiciones se conocedesconocidos. Debido a que no hay elemhace necesaria la resolución por el métodoBM total se puede encontrar D. Una valrededor del condensador permitirá determ BM total:

10000 = D+B � D = 10000-B BM de benceno F. XF=D. XD + B. XB 10000. 0.50 = D. 0.96 + B. 0.04 Resolviendo dos ecuaciones simultáneas t5000=0,96 (10000-B) + 0.04. B B= 5000 lb/h D= 5000 lb/h

26

H) y 27% de anhídrido acético estilación a T= 348 K a una te acetona pura, y el producto

íquido a 303 K. La mitad del ido que sale por la base de la de acetona, 73.8 % de ácido y mbién a 398 K y en equilibrio

50% de tolueno. El producto 96%. La corriente que entra al esa a la columna como reflujo jo son idénticos. Encontrar la

ocen y dos pesos son lementos de correlación se odo algebraico. Mediante un a vez conocido D, el BM terminar R.

tenemos:



BM alrededor del condensador V=R+D 8000= R+5000 R= 3000 lb/h R/D= 3000/5000 = 0.60 5. Plantear el BM del sistema. Determinar caud

6. En la sección donde se prepara la carga degasolina exenta de butano. Supóngase, para s¿Qué fracción de la gasolina exenta de butano

Base de cálculo: 100 lbmol/h de alimentación Balance de materia: A = D + F 100 = D + F ….. (1)

udal y composición del residuo.

de alimentación para una planta de gasolina natural se era simplificar, que el proceso y los componentes son comono pasa a través de la columna donde se elimina el IC5?

27

e elimina isopentano (IC5) de mo los que muestra la figura.



Balance de materia en IC5 0,2*100 = D + 0,1*F …….(2) Balance de materia en C5 5 5 5 80A F FC C C= ⇒ =

5 0,9*

5 8088,89

0,9 0,9

F

F

C F

CF

=

= = =

Sustituyendo en la ecuación (2) tenemos: 20 0,1*

20 0,1(88,89)

20 8,889

20 8,889

11,11

D F

D

D

D

D

= +

= +

= +

= −

=

Corriente A D F Comp lbmol/h % lbmol/h % lbmol/h % nC5 80 80 ----- --- 80,00 90 iC5 20 10 11,11 100 8,89 10

Total 100 90 11,11 100 88,89 100

Balance de materia en componentes 5 5 8,89C FiC iC= =

5 5 5

5 5 80

5 5

C E F

C E

B E

C C C

C C

C C

+ =

+ =

= Asumimos que en la división que existe en el punto de mezcla (1) las composiciones van a ser las mismas, es decir, las composiciones de los compuestos en B y C son las mismas, por lo tanto se calcula la relación que existe entre las corrientes:

% 5 % 5

11,11 8,89 8,89

11,11

0,80

B CiC iC

C

B C B

C

B

=

= ⇒ =

=

Por lo tanto 0,8*C B= Balance de materia en el punto de mezcla (1) A = B + C 100 0,8

100 1,8

10055,56

1,8

44,44

B B

B

B B

C

= +

=

= → =

=

Corriente B C E

Comp lbmol/h % lbmol/h % lbmol/h % nC5 44,45 80 35,55 80 44,45 100 iC5 11,11 20 8,89 20 ----- ----

Total 55,56 100 44,44 100 44,45 100

7. El análisis de un gas natural es como sigue: CO2, 4.0 %; CH4, 72.0 %; C2H6, 12.0 %; N2, 12.0 %. ¿Cuál es la composición en peso? ¿Qué peso molecular tiene? ¿Qué densidad a 60 ºF y 30.0 plg de Hg? ¿Cuál es el peso específico comparado con el del metano?

Solución a) Base: 100 moles de gas natural n(CO2) = 4 n(C2H6) = 12 n(CH4) = 72 n(N2) = 12

W(CO2) = 4 x 44 = 176 lb W(C2H6) = 12 x 30 = 360 lb W(CH4) = 72 x 16 = 1152 lb W(N2) = 12 x 28 = 336 lb W(total) = 176 + 1152 + 360 + 336 = 2024 lb

b) Composición en peso: d) Densidad:



2 6

2

4

2

360*100 17,79%

2024

336*100 16,60%

2024

1152*100 56,92%

2024

176*100 8,70%

2024

C H

�

CH

CO

= =

= =

= =

= =

c) Para hallar el peso molecular del gas procedemos mediante la fórmula:

2 4 2 6 22 4 2 6 2

mezcla CO CH C H �CO CH C H �M M X M X M X M X= + + +

44*0,04 16*0,72 30*0,12 28*0,12 20, 24 /mezclaM lb lbmol= + + + =

2

3 3 3

1,003 *20, 24 /5,35 10 0,001

.0,7302 *520

.

gas

PMPM RT

RT

atm lb lbmol lb gx

atm ft ft cmR

lbmol R

ρ ρ

ρ −

= ⇒ =

= = =

°°

e) Peso específico:

3

tan

0,001. 1,399

0,71466 10

gas

me o

p ex

ρ

ρ −= = =

GRAVEDAD API La gravedad API, de sus siglas en inglés American Petroleum Institute, es una medida de densidad que describe cuán pesado o liviano es el petróleo comparándolo con el agua. Si los grados API son mayores a 10, es más liviano que el agua, y por lo tanto flotaría en ésta. Fórmula de la gravedad API La fórmula usada para obtener la gravedad API es la siguiente:

Gravedad API = (141,5/GE a 60 °F) - 131,5

La fórmula usada para obtener la gravedad específica del líquido derivada de los grados API es la siguiente:

GE a 60 °F = 141,5/(Gravedad API + 131,5) 60 °F (o 15 5/9 °C) es usado como el valor estándar para la medición y reportes de mediciones. Por lo tanto, un crudo pesado con una gravedad específica de 1 (esta es la densidad del agua pura a 60 °F) tendrá la siguiente gravedad API:

(141,5/1,0) - 131,5 = 10,0 grados API. CLASIFICACIÓN DE LOS GRADOS Generalmente hablando, un mayor valor de gravedad API en un producto de refinería representa que éste tiene un mayor valor comercial. Esto básicamente debido a la facilidad (operacional y económica) de producir destilados valiosos como gasolina, jet fuel y gasóleo con alimentaciones de crudos livianos y a los altos rendimientos de los mismos. Esta regla es válida hasta los 45 grados API, más allá de este valor las cadenas moleculares son tan cortas que hacen que los productos tengan menor valor comercial. El Petróleo es clasificado en liviano, mediano, pesado y extrapesado, de acuerdo con su medición de gravedad API. Crudo liviano es definido como el que tiene gravedades API mayores a 31,1 °API Crudo mediano es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 °API. Crudo Pesado es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3 °API. Crudos extrapesados son aquellos que tienen gravedades API menores a 10 ° API.

guia 1

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y se aplica

en vez

agua y

en consecuencia

en general

lector en

y puesto que

condensar y terminan