TEMA A EXPONER: DESTILACIN DEL PETRLEO. ZONAS DE UNA COLUMNA DE
DESTILACIN
DESTILACINEnlaindustria,laseparacindecomponentesvoltilesserealizapormediodedestilacin,yaseaencolumnadeplatosoencolumnaempacada,selleva
acaboparalarecuperacindesubproductosdereaccionesopurificacin.En
este tipo de operaciones es muy importante el considerar el balance
de materiales para obtener una operacin estable y calidad de los
productosdeseada.
La destilacin delpetrleose realiza mediante las llamadas, torres
de fraccionamiento. En esta, el petrleo asciende por la torre
aumentando su temperatura, obtenindose los derivados de este en el
siguiente orden:1. Residuos slidos2. Aceites y lubricantes3. Gasleo
y fuel4. Querosn5. Naftas6. Gasolinas7. Disolventes8. GLP (Gases
licuados del petrleo)Si hay un excedente de un derivado del petrleo
de alto peso molecular, pueden romperse las cadenas
dehidrocarburospara obtener hidrocarburos ms ligeros mediante un
proceso denominadocraqueo.
COLUMNADEDESTILACIN
Ladestilacines,essuformamssimple,laseparacinporvaporizacindelos
componentesdeuna solucinqueresultadeunadiferenciade
volatilidaddeloscomponentes.La destilacin de mltiples etapas, puede
ser llevada a cabo en una
simplecolumnadeparedmojada,lacualesuncilindroverticalsobrecuyassuperficiesinternas
fluyen en contracorriente lquido y vapor. A causa de su
limitadasuperficie interfacial, la transferencia de masa es muy
limitada. Una de lasformas de obtener una interface grande consiste
en llevar a cabo esta
operacinenunatorrellenadecuerposgeomtricospequeos(empaque)que
permiteelcontactocontinuoentimoentreellquidoysuvapor,aldesplazarseatravsdelamisma
contracorriente.En la prctica se utilizan gran variedad de
materiales para empacar
torres,dentrodeestosseencuentran:pedacearadevidrio,piedrasporosas,carbn,
empaqueestructurado,oempaquecermico,entrelosprincipales.
Dentro de los empaques ms conocidos se tienen: anillos rashing,
anilloslessing, anillos de particin empaque tipo silla o silla
intalox y el empaqueestructurado.
Unacolumnadedestilacinesunaestructuracerradaenlacualserealizalaseparacinfsicadeunfluidoen
dos o ms fracciones. Esta separacin se lograsometiendo el fluido a
condiciones de presin ytemperaturaapropiadasalolargodelacolumna,de
modo de lograr que las fracciones que se buscan
separarseencuentrenendosestadosdiferentes.Lafraccin ms pesada (en
estado lquido) baja por gravedad, mientras que la ms liviana (en
estado gaseoso) sube y se condensa en las partessuperiores. De esta
manera se logra un
buenintercambioentreambasfasespermitiendolaefectivatransferenciadelapartegaseosadellquidoquebajaalafasegaseosaquesubee,igualmente,delapartelquida
que pueda arrastrar la fraccin gaseosa
quesubeallquidoquebajacomoseapreciaenlafigura.Este mecanismo de
transferencia se optimiza al maximizar la superficie decontacto
entre ambas fases. En las columnas de destilacin esto se
realiza,mediantedostiposdeestructurasmecnicasbsicas:lasestructurasdeplatoso
bandejas y las estructuras de empaques.Ambas estructuras pueden
encontrarseenunamismacolumnadependiendodesudiseoyutilizacin.
Estructuradeplatos
En la figura se muestra un corte
longitudinaldeunsectordeunatorreconestructurasdeplatosdeunsolobajante.Talcomoseaprecia,losbajantesdelosplatosvanalternndoseaunladoyalotrodelatorresucesivamenteobligandoallquidoarecorrerunlargocaminozigzagueantehacialaparteinferiordelatorre.Elgassedesplazaenladireccin
contraria,esdecirhaciaarriba,talcomoloindicanlasflechas y pasa de
un plato a la regin del
platoinmediaosuperioratravsdeunosductosubicadosenlaparteactivadelosmismosdondeserealizaelcontactoentreellquidoquebajayelgasquesube.Losductospuedensersimplesorificiosoestructurascompuestas
por partes rgidas o movibles cuyafuncin es ayudar a impedir el
desplazamiento
dellquidohaciaabajoatravsdelosductos,facilitandoeltransportedelgashaciaarribademododeforzar
elcontactogaslquidosobrelaparteactivadelplato. Existen platos con
dos y tres bajantes cada uno,platos de chimeneas y otros para
funcionesespeciales.
EstructuradeempaquesUna zona de empaque, est compuesta por un
agregado de pequeoselementos de empaque que pueden ser metlicos,
cermicos o plsticos yque se acumulan en una regin de la torre donde
cumplen la funcin de
maximizarelcontactoentreellquidoquebajayelgasquesube.Laszonasempacadas
se usan preferentemente en procesos de destilacin al vacodonde se
requieren bajas diferencias de presin. Esta acumulacin de
laspequeas estructuras en la zona de empaque puede ser ordenada
odesordenadadependiendodelafuncinquedebacumplir.
1) EQUILIBRIO LQUIDO-VAPOR EN SISTEMAS IDEALES
AContinuacin se estudiarn las consecuencias de la ley de Raoult
en los sistemas binarios en los cuales ambos componentes son
voltiles.En una solucin binaria, por ejemplo,, y se tiene:ySi se
denominaPa la presin total de la solucin, entonces:
Ecuacin136La anterior expresin relaciona la presin total sobre
la mezcla con la fraccin molar del componente 1 en el lquido, es
decir establece quePes una funcin lineal dex1.La presin total puede
tambin expresarse en funcin dey1, la fraccin molar del componente 1
en la fase de vapor, as:
Reemplazando los valores deP1y deP, se
obtiene:Ecuacin137Resolviendo esta ecuacin en funcin dex1, se
halla:Ecuacin138Empleando este valor dex1en la ecuacin, y despus de
reagrupar, se obtiene:Ecuacin139Segn la regla de las fases, resulta
que. Debido a quePes mayor o igual que 1, entoncesFes igual o menor
que 3, por lo que se debe especificar como mximo 3 variables, si
una es la temperatura, las otras debern ser(P,x1)o (P,y1).De modo
que la presin total,P, slo podra representarse grficamente con
respecto a la fraccin molar del componente 1 en el lquido(x1), la
cual describe la composicin del lquido y de todo el sistema si slo
hay lquido presente o con respecto a la fraccin molar del
componente 1 en la fase vapor (y1), que describe la composicin del
vapor y de todo el sistema si slo hay vapor presente.Surge ahora el
problema de cmo representar grficamente los estados lquido y vapor
en un solo diagrama. Para ello es razonable representar de forma
esquemtica, la presin en funcindex1, la fraccin molar del
componente 1 en todo el sistema (fase lquida+ fase vapor).En la
figura 16 se presenta un diagrama en el que se representaPen funcin
dex1para un sistema cualquiera en el que estn en equilibrio las
fases lquido y vapor. La curva superior (cuando el sistema se
comporta idealmente) es una lnea recta que se denominacurva del
lquido,e indica el lmite entre las regiones de lquido y de la
mezcla lquido-vapor y es simplemente una grfica de la presin de
vapor total de la mezcla lquida contrax1. Por encima de esta lnea,
el vapor se condensa formando un lquido.La curva inferior se
denominacurva del vapor,es una grfica dePcontray1, e indica el
lmite de fases entre las regiones de lquido-vapor y de vapor. Por
debajo de esta lnea, el lquido no puede existir en equilibrio.
Figura 16.Esquema de un diagrama P vs. x1Fuente: Ayuso L.
(1991). Fisicoqumica. Santaf de Bogot, Unisur.Considrese un punto
cualquiera (b) dentro de la regin lquido + vapor; el
valorx1correspondiente abes la fraccin molar del componente 1 en
todo el sistema, lquido + vapor.Hasta ahora, se ha
empleadox1oy1para describir el sistema, sin embargo, se sabe que,
y, y por tanto tambin se hubiese podido escogerx2yy2.Para conocer
la composicin del sistema en el puntob, se procede as: La
interseccin de una lnea horizontal (lnea de unin o de enlace), a
presin constante, con la curva de lquido en (l) da el valorx1deque
describe la composicin del lquido, mientras que la interseccin con
la curva de vapor en (v) da el valor dey1, que describe la
composicin del vapor.Six1es la variable independiente, la
interseccin de la lnea vertical en x1con la curva de lquido
establece el valor deP. A partir dePpuede obtenerse de inmediato el
valor dey1. As se define el sistema totalmente, especificando tan
soloPyx1oPyy1, en al regin de dos fases.Ejemplo22Una mezcla lquida
de tolueno benceno tiene una composicin molar de tolueno de 0.72.
El benceno y el tolueno forman soluciones que se aproximan al
comportamiento ideal. A 300 K la presin de vapor del tolueno es
de32.06 mmde Hg y la del benceno es de103.01 mmde Hg. Si a 300 K se
reduce la presin sobre la mezcla, determine:a)La presin a la cual
se formar la primera seal de vapor.b)La composicin de la primera
muestra de vapor formada.c)Reduciendo an ms la presin de vapor,
calcule la presin a la cual desaparece la ltima seal de lquido.d)La
composicin de la ltima seal de lquido.Solucin del problemaa)La
primera seal de vapor aparecer cuando la composicin en la fase
lquida del tolueno es de 0.72. Por lo tanto, utilizando la
ecuacin:
, es la presin a la cual aparece la primera seal de vapor.b)La
composicin de la primera muestra de vapor formada, se puede hallar
as:. Reemplazando se obtiene:
c)Empleando la ecuacin. Como la ltima seal de lquido ocurrir
cuando la composicin en la fase vapor sea 0.72. Entonces,
reemplazando se obtiene:
d)La ltima seal de lquido ocurrir cuando la composicin en la
fase vapor del tolueno sea 0.72. Utilizando la ecuacin:. Por lo
tanto:
2) EQUILIBRIOS A TEMPERATURA CONSTANTE
3) TIPOS DE FRACCIONAMIENTO O DESTILACIN.
Destilacin simpleLa destilacin simple se utiliza cuando la
mezcla de productos lquidos a destilar contiene nicamente una
sustancia voltil, o bien, cuando sta contiene ms de una sustancia
voltil, pero el punto de ebullicin del lquido ms voltil difiere del
punto de ebullicin de los otros componentes en, al menos, 80 C.El
resultado final es la destilacin de un solo producto, ya sea:
porque en la mezcla inicial slo haba un componente, o porque en la
mezcla inicial uno de los componentes era mucho ms voltil que el
resto Destilacin simple a presin atmosfrica La destilacin a presin
atmosfrica es aquella que se realiza a presin ambiental. Se utiliza
fundamentalmente cuando la temperatura del punto de ebullicin se
encuentra por debajo de la temperatura de descomposicin qumica del
producto. Destilacin simple a presin reducida La destilacin a
presin reducida o al vaco consiste en disminuir la presin en el
montaje de destilacin con la finalidad de provocar una disminucin
del punto de ebullicin del componente que se pretende destilar.
Destilacin fraccionadaLa destilacin fraccionada se utiliza
cuando la mezcla de productos lquidos que se pretende destilar
contiene sustancias voltiles de diferentes puntos de ebullicin con
una diferencia entre ellos menor a 80 C.Al calentar una mezcla de
lquidos de diferentes presiones de vapor, el vapor se enriquece en
el componente ms voltil y esta propiedad se aprovecha para separar
los diferentes compuestos lquidos mediante este tipo de
destilacin.El rasgo ms caracterstico de este tipo de destilacin es
que necesita unacolumna de fraccionamiento.La destilacin
fraccionada se puede realizar apresin atmosfricao apresin reducida,
tal como se ha comentado para la destilacin simple en el apartado
anterior.
Destilacin por arrastre de vaporLa destilacin por arrastre de
vapor posibilita la purificacin o el aislamiento de compuestos de
punto de ebullicin elevado mediante una destilacin a baja
temperatura (siempre inferior a 100 C). Es una tcnica de destilacin
muy til para sustancias de punto de ebullicin muy superior a 100 C
y que descomponen antes o al alcanzar la temperatura de su punto de
ebullicin.La destilacin por arrastre de vapor es una tcnica de
destilacin que permite la separacin de sustancias insolubles en H2O
y ligeramente voltiles de otros productos no voltiles. A la mezcla
que contiene el producto que se pretende separar, se le adiciona un
exceso de agua, y el conjunto se somete a destilacin. En el matraz
de destilacin se recuperan los compuestos no voltiles y/o solubles
en agua caliente, y en el matraz colector se obtienen los
compuestos voltiles y insolubles en agua. Finalmente, el
aislamiento de los compuestos orgnicos recogidos en el matraz
colector se realiza mediante una extraccin. Fundamento terico de la
destilacin por arrastre de vapor:En una mezcla formada por dos
lquidos inmiscibles, A y B, la presin de vapor total a una
temperatura determinada es igual a la suma de las presiones de
vapor que tendran, a esta temperatura, ambos componentes sin
mezclar, es decir, que cada componente ejerce su propia presin de
vapor independientemente del otro (PT= PA+ PB).La mezcla hervir a
aquella temperatura en la cual la presin de vapor total sea igual a
la presin externa. Adems esta temperatura se mantiene constante
durante toda la destilacin y es inferior a la de A y a la de B.
4) PRODUCTOS OBTENIDOS
La destilacin delpetrleose realiza mediante las llamadas, torres
de fraccionamiento. En esta, el petrleo asciende por la torre
aumentando su temperatura, obtenindose los derivados de este en el
siguiente orden:1. Residuos slidos2. Aceites y lubricantes3. Gasleo
y fuel4. Querosn5. Naftas6. Gasolinas7. Disolventes8. GLP (Gases
licuados del petrleo)
5) TIPOS DE PLATO UTILIZADOS EN UNA TORRE DE DESTILACIN
ATMOSFRICA.FALTO LA RESPUESTA COMPLETA DE ESTA EL TIPO O LOS TIPOS
DE PLATOS UTILIZADOSLadestilacin atmosfricaen laingeniera del
petrleo, es ladestilacinque se realiza a unapresincercana a
laatmosfrica. Se utiliza para extraer loshidrocarburospresentes de
forma natural en elcrudo, sin afectar a la estructuramolecularde
los componentes.En las unidades de destilacin atmosfrica, el
objetivo es obtenercombustiblesterminados y cortes de hidrocarburos
que luego se procesarn en otras unidades. Se basa en la
transferencia de masa entre las fases lquido-gas de una mezcla de
hidrocarburos. Permite la separacin de componentes en funcin de
supunto de ebullicin. Para que se produzca elfraccionamientoo
separacin, es necesario que exista un equilibrio entre las fases
lquido y vapor, que es funcin de la temperatura y presin del
sistema. As los componentes de menor peso molecular se concentran
en la fase vapor y los de peso mayor, en el lquido. Las columnas se
disean para que el equilibrio lquido-vapor se obtenga de forma
controlada y durante el tiempo necesario para obtener los productos
deseados.El proceso consiste en vaporizar el crudo y luego
condensar los hidrocarburos en cortes definidos, modificando la
temperatura a lo largo de la columna fraccionadora. La fase lquida
se obtiene mediantereflujos, que son reciclos de hidrocarburos que
retornan a la columna despus de enfriarse intercambiando calor con
fluidos refrigerantes o con carga ms fra. Su funcin es eliminar
controladamente la energa cedida en el horno de precalentamiento.La
columna de destilacin est rellena de bandejas de platos, que es
donde se produce el equilibrio entre los vapores ascendentes y los
lquidos que descienden.En la zona de agotamiento o de
despojamientostripping, situada en la parte inferior de la columna,
se le inyecta vapor de agua, que sirve para disminuir lapresin
parcialde los hidrocarburos, favoreciendo la vaporizacin de los
compuestos msvoltilesy ayudarles a que asciendan a la zona de la
columna que tenga a presin y temperatura adecuada para que se
produzca el equilibrio lquido-vapor y se produzca la extraccin del
producto definido.
6) DESTILACION AL VACIO
Destilacin Atmosfrica y al VacoEl objetivo es extraer los
hidrocarburos presentes naturalmente en el crudo por destilacin,
sin afectar la estructura molecular de los componentes.Unidades de
Destilacin Atmosfricas y al VacoEn las unidades de Topping, el
objetivo es obtener combustibles terminados y cortes de
hidrocarburos que sern procesados en otras unidades, para
convertirlos en combustibles ms valiosos.En las unidades de Vaco,
solo se produce cortes intermedios que son carga de unidades de
conversin, las cuales son transformadas en productos de mayor valor
y de fcil comercializacin.Fundamentos del ProcesoLa destilacin del
crudo, se basa en la transferencia de masa entre las fases liquido
- vapor de una mezcla de hidrocarburos.La destilacin permite la
separacin de los componentes de una mezcla de hidrocarburos, como
lo es el petrleo, en funcin de sus temperaturas de ebullicin.Para
que se produzca la "separacin o fraccionamiento" de los cortes, se
debe alcanzar el equilibrio entre las fases lquido-vapor, ya que de
esta manera los componentes ms livianos o de menor peso molecular
se concentran en la fase vapor y por el contrario los de mayor peso
molecular predominan en la fase liquida, en definitiva se aprovecha
las diferencias de volatilidad de los hidrocarburos.El equilibrio
liquido-vapor, depende principalmente de los parmetros
termodinmicos, presin y temperatura del sistema. Las unidades se
disean para que se produzcan estos equilibrios en forma controlada
y durante el tiempo necesario para obtener los combustibles
especificados.Bsicamente el proceso consiste en vaporizar los
hidrocarburos del crudo y luego condensarlos en cortes definidos.
Modificando fundamentalmente la temperatura, a lo largo de la
columna fraccionadora.La vaporizacin o fase vapor se produce en el
horno y zona de carga de la columna fraccionadora. En el Horno se
transfiere la energa temica necesaria para producir el cambio de
fase y en la Zona de Carga se disminuye la presin del sistema,
producindose el flash de la carga, obtenindose la vaporizacin
definitiva.La fase liquida se logra con reflujos o reciclo de
hidrocarburos retornados a la torre. Estos reflujos son corrientes
liquidas de hidrocarburos que se enfran por intercambio con crudo o
fluidos refrigerantes. La funcin u objetivo principal de estos , es
eliminar o disipar en forma controlada la energa cedida a los
hidrocarburos en el horno, de esta manera se enfra y condensa la
carga vaporizada, en cortes o fracciones de hidrocarburos
especificas, obtenindose los combustibles correspondientes.La
columna posee bandejas o platos donde se produce el equilibrio
entre los vapores que ascienden y los lquidos descendentes. En
puntos o alturas exactamente calculadas existen platos colectores
desde lo que se extraen los combustibles destilados.La diferencia
fundamental entre las unidades de Tpping y Vaco es la presin de
trabajo. El Topping opera con presiones tpicas de 1 Kg/cm2
(manomtrica), mientras que en el Vaco trabaja con presiones
absolutas de 20 mm de mercurio. Esto permite destilar hidrocarburos
de alto peso molecular que se descompondran o craquearan
trmicamente, si las condiciones operativas normales del Topping
fuesen sobrepasadas.
