taller de balance

Elementos de Diseño Óptimo
Estructuración de Trenes de Columnas de Destilación
Ing. Carmen N. Paniagua – Ing. Omar A. Iglesias

1. Introducción
La destilación constituye una de las operaciones más utilizadas en la mayoría de las plantas de proceso, particularmente, en la industria del petróleo y la petroquímica.
La separación de los compuestos o grupos de compuestos de una mezclamulticomponente mediante destilación, en rigor, trenes de columnas de destilación, es una operación tecnológicamente consolidada y operativamente robusta.
En estas unidades los costos totales pueden ser altos: a la amortización del equipamiento - torre, internos, equipos de intercambio de calor y de bombeo – debe sumarse el gasto en los servicios de calefacción y enfriamiento. Estos costos estáninfluenciados notoriamente por el orden en el que se van separando las distintas fracciones.
Así, por ejemplo, si la presencia de un componente obliga al uso de un material especial en el equipamiento, con el consiguiente incremento del valor, cuanto más pronto se lo retire menor será el costo asociado al tren de destilación.
O también, si en la mezcla existe un componente en una proporción alta, entodas las columnas donde se encuentre presente se ha de producir un importante consumo de energía en calefacción y enfriamiento.
La estrategia con la que los ingenieros de diseño han abordado la estructuración de estos trenes de columnas de destilación, como es lógico, se ha ido modificando con el tiempo. Los primeros pasos formales fueron dados mediante la aplicación de reglas heurísticas. Luego,se avanzó en la formulación de funciones de evaluación de cuestiones preponderantes relacionadas al costo del sistema para terminar en enfoques algorítmicos o, para sistemas pequeños, el análisis mediante la búsqueda exhaustiva sobre la totalidad de configuraciones posibles, utilizando simulación.
En este capítulo vamos a considerar algunas de estas estrategias, aceptando que las columnas queintegran los trenes son como la que se esquematiza en la figura 1, esto es, poseen una única alimentación y sólo dos salidas, utilizando medios auxiliares de calentamiento en el reboiler y de enfriamiento en el condensador –esto es, no existe integración térmica entre las columnas del tren. En todas las separaciones, los componentes claves son adyacentes respecto de la volatilidad.
Las buenasprácticas de diseño indican el uso de estas columnas de destilación cuando
La volatilidad relativa entre los componentes claves es superior a 1,05
La demanda energética en el fondo no es excesiva
La presión de trabajo de la columna no obliga a trabajar a temperaturas cercanas a la crítica de cualquier compuesto
En el tope no se requiere una refrigeración excesiva para obtener el reflujo necesario
Latemperatura de fondo no causa degradación del producto
Los azeótropos, si existen, no impiden la separación de los compuestos
La pérdida de carga en la columna es admisible
En todo este capítulo admitiremos que estas condiciones, en su totalidad, se cumplen razonablemente bien
El problema fundamental en la estructuración de los trenes es el número de alternativas a considerar. Si se trata, porejemplo, de una mezcla de 3 componentes se tendrán sólo dos esquemas para el tren, la llamada secuencia directa, donde en el destilado de cada columna sale sólo el componente más volátil, y la secuencia inversa, donde por el fondo sale únicamente el componente más pesado.
El número de alternativas que se deberán analizar, crece rápidamente con el número de compuestos a separar. En la figura 2podemos ver el árbol de las 14 alternativas posibles para una mezcla de 5 componentes. Allí se ha indicado con una barra / el punto de corte en cada columna (Si admitimos que los compuestos se indican ordenados en orden decreciente de volatilidad, AB/CDE significa que, en esa columna, por tope sale una mezcla de A y B y por fondo C, D y E). Otra forma de indicar una secuencia que utilizaremos es...