Características de funcionamiento de una columna de destilación: inundación, llanto y arrastre (PDF)

Los patrones de flujo en una bandeja de una columna de destilación con gas que sube continuamente a través del líquido que fluye hacia abajo son bastante complejos. El interior de la bandeja se selecciona y diseña teniendo en cuenta la complejidad del flujo y los problemas que surgen de él. Los factores que surgen debido al mal funcionamiento de la destilación se denominan diferentes terminologías que son llanto, inundación, arrastre, etc. que no son deseables en absoluto y se deben tomar medidas inmediatas para controlar estas complejidades.

¿Qué es el llanto de la columna de destilación?

Si una fracción muy pequeña del líquido fluye desde una bandeja a la inferior a través de perforaciones o aberturas en la plataforma de la bandeja, el fenómeno se denomina “llorar”. El goteo provoca cierta reducción de la eficiencia de la bandeja porque el líquido que gotea hacia la bandeja inferior a través de la perforación no ha estado en contacto total con el gas o el vapor. Por otro lado, el vertido es un caso extremo de fuga a través de la plataforma de la bandeja si la velocidad del vapor es baja y la caída de presión del vapor a través de la bandeja no es suficiente para retener el líquido. En un escenario práctico, puede ocurrir un ligero goteo de forma intermitente mientras se utilizan platos de tamiz debido a una diferencia de presión instantánea.

Hay dos cosas a considerar i) el punto de drenaje y ii) la tasa de drenaje.

El punto de drenaje se define como la velocidad del vapor que se vuelve significativamente baja, lo que reduce la eficiencia de la bandeja. El fenómeno del llanto aumenta con

  • área de agujero más grande
  • Tasa líquida más alta
  • Mayor altura del vertedero
  • Menor tensión superficial del líquido.
  • Espaciamiento más estrecho entre agujeros

¿Qué es el arrastre de la columna de destilación?

El arrastre es el fenómeno cuando el gas burbujea continuamente a través de la piscina de líquido y las gotitas de líquido se forman continuamente en el espacio de vapor por un mecanismo bastante pequeño que incluye la acción de corte del chorro de gas o la rotura de la película del líquido debido al colapso de la burbuja de gas. La gota puede volver a descender al líquido en la bandeja o puede transportarse a la bandeja superior según el tamaño de una gota, su velocidad proyectada y la fuerza de arrastre que actúa sobre ella debido a la velocidad del gas. Este arrastre de la gota de líquido suspendida en la bandeja superior se denomina “arrastre”. Las posibilidades de arrastre son mayores si la gota es pequeña, si la velocidad del gas es grande o si el espacio entre platos es pequeño.

El arrastre causa tres problemas principales:

Provoca la mezcla del líquido arrastrado desde la bandeja inferior con el líquido de la bandeja superior. Esto afecta adversamente la transferencia de masa que reduce la eficiencia de la bandeja.

  1. El arrastre de una masa sustancial de líquido en forma de gotitas a la bandeja superior aumenta el caudal de líquido y la carga de la esquina inferior de esa bandeja.
  2. El siguiente problema puede conducir a la ‘inundación’ de la torre.

El arrastre se expresa como kg (gotitas arrastradas)/s, kg/kg de vapor, kg/kg de flujo de líquido o kmol/kmol de líquido que fluye.

¿Qué es la inundación de la columna de destilación?

La inundación de una columna de destilación es un fenómeno cuando el líquido fluye a través de una bandeja y se dirige hacia el vertedero de salida. El líquido comienza a desbordarse por el vertedero de salida y se drena a través del tubo de bajada hacia la bandeja inferior. El vapor burbujea a través de los orificios de las bandejas cribadoras, o tapas de las bandejas de válvulas, en la plataforma de la bandeja, donde el vapor entra en contacto íntimo con el líquido. La función de una bandeja es mezclar el vapor y el líquido para formar espuma. Esta espuma debe volver a separarse en un vapor y un líquido en el tubo de bajada y si no se drena rápidamente de un tubo de bajada a la bandeja de abajo, entonces el líquido espumoso o la espuma volverán a subir a la bandeja de arriba. Esta condición se denomina inundación de la columna de destilación.

Causa de inundación en columna de destilación

Pérdida del sello del tubo de bajada

Según la figura representada en la Fig. 1A, se ha demostrado claramente que la bajante B se está inundando. La razón es la pérdida del sello del tubo de bajada. La altura del vertedero de salida es menor que el borde inferior de la bajante desde la bandeja superior. Esto permite que el vapor fluya hacia arriba hasta el tubo de bajada B. El vapor que asciende expulsa el líquido que fluye hacia abajo. El vapor empuja el líquido hacia la bandeja de arriba, que es la razón principal de la inundación.

Espacio libre inadecuado del tubo de bajada

El siguiente motivo de inundación es el espacio libre inadecuado entre el tubo de bajada y la plataforma de la bandeja, que se muestra en la siguiente figura (Fig. 2). Si el borde inferior del tubo de bajada está demasiado adyacente a la bandeja inferior, entonces se necesita una caída de presión mayor para que el líquido escape del tubo de bajada B a la bandeja 1, lo que hace que el nivel del líquido en el tubo de bajada B retroceda hasta la bandeja 2. Como resultado, la bandeja 2 se inunda. Una vez que la bandeja 2 se inunde, la bajante C (que se muestra en la Fig. 1B) también retrocederá y se inundará. Esta condición continuará hasta que todos los platos y bajantes por encima del bajante B estén inundados. Al mismo tiempo, todas las bandejas debajo de la bajante B se secarán debido a la pérdida de niveles de líquido.

Por lo tanto, se aplican las siguientes reglas:

  • Cuando comienza la inundación en una bandeja, todas las bandejas por encima del punto de inundación también se inundarán, pero las bandejas por debajo de ese punto se secarán.
  • La pérdida de nivel de líquido en el fondo de la columna es una indicación temprana de inundación en una columna de destilación
  • Si el espacio libre del tubo de bajada (la distancia entre el borde inferior del tubo de bajada y la bandeja de abajo) es demasiado grande, el tubo de bajada se abre. Luego, el vapor fluye hacia arriba por el tubo de bajada y se produce una inundación.
  • El líquido comienza a retroceder en el tubo de bajada si el espacio libre del tubo de bajada es demasiado pequeño y las bandejas de arriba se inundan.

Para calcular la altura del líquido en el tubo de bajada, debido al líquido que fluye a través del espacio libre del tubo de bajada:

ΔH = 0,6 × V2 

donde ΔH = pulgadas de respaldo de líquido claro en la bajante, debido a la pérdida de carga debajo de la bajante V = componente horizontal de la velocidad del líquido, en pies/s, a medida que el líquido sale de la bajante.

Inundaciones en Columna de Destilación
Fig. 1: Inundación en la Columna de Destilación
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Para garantizar un sello adecuado del tubo de bajada, el borde inferior del tubo de bajada debe estar aproximadamente 0,5 pulgadas por debajo del borde superior del vertedero de salida. Esta dimensión debe ser revisada cuidadosamente por el personal del proceso cuando se abre una torre para inspección. Es muy fácil que una instalación descuidada de la bandeja distorsione este factor crítico.

Concepto de Inundación Incipiente

El control de la torre de destilación es tal que tanto la presión como la temperatura del fondo se mantienen constantes. Esto indica que el porcentaje de propano en el producto de fondo (butano) se mantiene constante. Si el operador aumenta el flujo de reflujo a la columna de destilación, ocurrirá la siguiente condición (consulte la Fig. 2):

Un simple divisor C3-C4
Fig. 2: Un simple divisor C3-C4
  • La temperatura superior de la torre de destilación disminuye.
  • El porcentaje en peso de butano en el producto de cabeza (propano) disminuye.
  • La temperatura del fondo de la torre comienza a disminuir.
  • El trabajo del rehervidor aumenta para recuperar la temperatura del fondo de la torre de destilación a su punto de ajuste.
  • El flujo de peso de vapor y la velocidad del vapor a través de la bandeja aumentan.
  • La altura de la sección de pulverización, o arrastre, entre los platos de la torre de destilación aumenta.

Según la figura (Fig-3A), el punto A se denomina punto de inundación incipiente, ese punto en la operación de la torre en el que un aumento o una disminución en la tasa de reflujo da como resultado una pérdida de eficiencia de separación. Se puede llamar a esto una relación de reflujo óptima, que sería una descripción alternativa del punto de inundación incipiente.

Concepto de inundación de la columna de destilación
Fig. 3: Concepto de inundación de la columna de destilación

¿Cómo calcular la altura del líquido en la plataforma de la bandeja?

A medida que aumenta la altura del líquido en una bandeja, la altura del líquido presente en el tubo de bajada que se alimenta a esta bandeja aumentará en la misma cantidad. Además, el exceso de líquido presente en la bajante o los niveles de espuma provocan inundaciones y pérdida de eficiencia del plato de la torre. El nivel de líquido en una bandeja se rige por los dos factores siguientes:

  • altura del vertedero
  • Altura de la cresta

La altura del vertedero de las bandejas se puede ajustar. Por lo general, ajusta la altura del vertedero entre 2” y 3”. Esto produce una profundidad significativa de líquido en la plataforma de la bandeja para desarrollar una transferencia de masa efectiva.

La altura de la cresta es similar a la altura del agua que desborda una presa de un río.

Altura de la cresta = 0,4 (GPM ÷ pulgada (salida) longitud del vertedero) 0,67

donde altura de la cresta = pulgadas del nivel de líquido claro que rebosa el vertedero de salida; GPM = galones (US) por minuto de líquido que sale de la bandeja.

Altura total del líquido en la bajante

La altura total del líquido claro en el vertedero del tubo de bajada es la suma de los cuatro factores que se indican a continuación:

  • Velocidad de salida del líquido del tubo de bajada a la bandeja inferior.
  • Altura del Presa.
  • Altura de la Cresta de líquido que desborda el vertedero de salida.
  • La caída de presión del vapor que fluye a través de la bandeja por encima del tubo de bajada.

Pero en el escenario real, no existe líquido claro en el tubo de bajada, en la bandeja misma o en el vertedero de salida. El líquido en realidad es espuma o espuma en la naturaleza que se llama líquido aireado. El factor que compensa el efecto de aireación es 0,5. Entonces, el 50 por ciento se usa a menudo para muchos servicios de hidrocarburos.

Esto significa que si calculamos que el nivel de líquido transparente es de 12 pulgadas en la bajante, entonces el nivel real de espuma en la bajante es de 12 pulgadas/(0,50) = 24 pulgadas de espuma. Si la altura total de la bajante junto con la altura del vertedero es de 24 pulgadas, entonces la altura de la espuma en la bajante es de 24 pulgadas, lo que resulta en la inundación de la bajante. Esto se denomina con frecuencia una inundación líquida.

¿Qué es la inundación por chorro?

La inundación por chorro ocurre cuando los tubos de bajada y la bandeja que consisten en espuma o espuma, hay una cantidad de líquido arrastrado que se eleva por encima del nivel de espuma en las bandejas de la torre. La fuerza motriz que provoca este arrastre es el flujo de vapor a través de la torre de destilación. La altura de la sección de rociado de este líquido arrastrado se rige por dos factores:

  • La altura de la espuma reside en la bandeja.
  • La velocidad del vapor a través de la bandeja.
Chorro de inundación debido al arrastre
Fig. 4: Chorro de inundación debido al arrastre

Las altas velocidades de vapor junto con un alto nivel de espuma harán que la altura de la sección de rociado golpee la parte inferior de la bandeja superior. Esto da como resultado la mezcla del líquido de una bandeja inferior con el líquido de la bandeja superior. Esta retromezcla de líquido provoca la reducción de la separación, la transferencia de masa o la eficiencia de la bandeja de una torre de destilación.

Si el flujo de vapor a través de una bandeja aumenta, la altura de la espuma en el tubo de bajada que drena la bandeja también aumentará. Esto no tendrá ningún impacto en la altura de la espuma en la plataforma de la bandeja hasta que la bajante se llene de espuma líquida. Luego, un incremento adicional del flujo de vapor provoca un aumento significativo en la altura de la espuma de la bandeja de la torre de destilación, lo que aumenta la altura de la sección de pulverización. Cuando la altura de la sección de rociado desde la bandeja inferior toca la bandeja superior, se denomina punto de inundación incipiente o se denomina inicio de la inundación por chorro.

Relación entre la caída de presión de la torre y las inundaciones

Es importante entender la relación entre la caída de presión de una torre de destilación y la inundación para la predicción y prevención de inundaciones. El parámetro común de los equipos de proceso es que la operación suave se logra con una carga no muy alta ni muy baja. La carga intermedia del equipo que resulta en la operación más eficiente se denomina punto de mejor eficiencia. Para platos de la torre de destilación, el punto de inundación incipiente corresponde al punto de mejor eficiencia. Hemos correlacionado este punto de mejor eficiencia para platos de válvulas y tamices en comparación con las caídas de presión medidas en muchas torres de destilación. Hemos derivado la siguiente fórmula:

dónde

  • DP = caída de presión a través de una sección de bandeja, psi
  • NT = el número de bandejas
  • TS = espacio entre bandejas, pulgadas
  • sg = gravedad específica del líquido claro, a temperaturas de flujo

Sobre la base de cientos de mediciones de campo, hemos observado

  • K = 0,18 a 0,25: el funcionamiento de la bandeja está cerca de su punto de máxima eficiencia.
  • K = 0,35 a 0,40: se produce arrastre: el aumento de la relación de reflujo reduce significativamente la eficiencia de la bandeja.
  • K = ≥0.5: la bandeja está completamente sumergida en la inundación: abrir un respiradero en la línea de vapor superior expulsará líquido con el vapor.
  • K = 0,10 a 0,12: Baja eficiencia de la bandeja, debido a fugas en la cubierta de la bandeja.
  • K = 0,00: no hay nivel de líquido en la bandeja y es muy probable que las bandejas estén en el fondo de la columna.

¿Cuál es la relación de cobertura?

Turndown es un término que se utiliza con frecuencia con respecto a la capacidad de la planta. Una planta está diseñada para un rango de capacidad particular que puede tener que operar a un rendimiento mejorado o reducido dependiendo de los cambios en la tasa de producción o demandas o varios factores. Por lo tanto, es deseable que las bandejas tengan cierto grado de flexibilidad para adaptarse a un rendimiento variable. Dicha flexibilidad se denomina relación de reducción y se define como la relación entre el rendimiento de vapor de diseño y el rendimiento operativo mínimo.

Las bandejas de tamiz tienen una relación de reducción baja de aproximadamente 2. Esto significa que el intento de tamiz normalmente se puede operar hasta el 50% del rendimiento de vapor de diseño. Esta relación de cobertura se puede aumentar reduciendo el área fraccionaria del orificio. Las bandejas de válvula normalmente tienen una relación de reducción de 4, mientras que las bandejas de tapa de burbuja tienen una relación de reducción aún mayor.

¿Qué son las bandejas de paso múltiple y de gradiente hidráulico?

La diferencia entre las alturas de líquido claro en los puntos de entrada y salida en una bandeja se denomina ‘gradiente hidráulico’ o ‘gradiente de líquido’, donde ‘Gradientes’ significa la tasa de cambio de una cantidad con la posición. Pero los gradientes hidráulicos son realmente la ‘diferencia’ de alturas líquidas. Básicamente, este es el requisito de la cabeza de líquido para superar la resistencia al flujo de líquido en la bandeja.

El valor del gradiente hidráulico en una bandeja no debe ser mayor a una fracción de pulgada. Preferiblemente, debe mantenerse dentro de ½ pulgada. Un gradiente de líquido excesivo provoca un mal funcionamiento grave de la bandeja, ya que la mayor parte del gas fluye a través de los orificios cerca de la mitad de la bandeja y en la sección del vertedero de salida (donde la ‘profundidad efectiva del líquido’ en la bandeja es baja) y solo una pequeña parte de flujos a través de los orificios en el lado de entrada de líquido de la bandeja. Tal mala distribución del gas o del vapor, llamada canalización de vapor, reduce severamente la eficiencia de la bandeja.

Por lo tanto, el gradiente hidráulico es una característica operativa muy importante que debe verificarse durante el diseño de la bandeja. Sigue siendo bastante pequeño para la bandeja de tamiz. Pero para la bandeja de tapas de burbujas, puede ser significativo porque las tapas de burbujas ofrecen una mayor resistencia al flujo de líquido.

Comparación entre varias bandejas

En la siguiente tabla se proporciona una comparación cuantitativa de las tres bandejas utilizadas con frecuencia con respecto a la capacidad, la eficiencia, la flexibilidad, el costo y otros pocos criterios:

ParámetroBandeja de burbujasbandeja tamizBandeja de válvula
CapacidadModeradoAltoalto a muy alto
EficienciaModeradoAltoAlto
arrastreAltoModeradoModerado
Caída de presiónAltoModeradoModerado
RechazarExcelenteSobre 24-5
Tendencia al ensuciamientoAlto, tiende a acumularse sólidoBajoBajo a moderado
CostoAltoBajoAproximadamente un 20 % más que las bandejas cribadoras
SolicitudRara vez se usa en columnas nuevasLa mayoría de las aplicaciones si la cobertura no es importanteSe prevé preferencia por alta cobertura
Cuota de mercadoComo 5%25%70%

Tabla 1: Comparación cuantitativa de las tres bandejas de uso frecuente en la Columna de Destilación

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