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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TORRES DE FRACCIONAMIENTO
PDVSA N°
TITULO
MDP–04–CF–01
0
NOV.96
REV.
FECHA
APROB.
E1994
INTRODUCCION
APROBADA
4
DESCRIPCION
FECHA NOV.96
Y.M.
PAG. REV.
APROB.
F.R.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
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Indice
1 GENERALIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Principios Básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Método General de Cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diseño Riguroso de Torres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Platos Perforados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Platos tipo Casquete de Burbujeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Platos tipo Surtidor (Jet Trays) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Plato tipo Válvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transferencia de Calor por Contacto Directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Torres Empacadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3
3
3
4
4
4
4
4
4 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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GENERALIDADES
El fraccionamiento es el método de separación más usado de las operaciones
unitarias a nivel industrial. El proceso consiste en una transferencia de masa por el
intercambio de calor desde el fondo de la torre, con un mayor enriquecimiento de
los elementos más volátiles que conforman el vapor en el tope.
Las operaciones de destilación empleadas en la industria química en general,
tienen por objeto aislar compuestos individuales bastante puros, partiendo de
mezclas de líquidos volátiles, formada fundamentalmente por componentes bien
definidos. En estos casos la destilación simple intermitente es suficiente para una
separación eficaz, tal como la deshidratación de disolventes orgánicos. A menos
que las volatilidades de dos ó más componentes de una mezcla líquida sean casi
idénticas, o que dos ó más componentes se asocien para formar una mezcla de
punto de ebullición constante.
Cuando se trata de mezclas de punto de ebullición elevado, tales como crudo o
fracciones petroleras pesadas en los cuales existen intervalos de ebullición
amplios, el grado de separación entre las fracciones depende del factor
económico, requiere de equipos de mayor flexibilidad operacional. En estos
procesos de separación complejos, la destilación simple intermitente ha sido
sustituida por las torres de fraccionamiento que emplean reflujo, tales como las
usadas en la industria petrolera nacional. Asimismo, los métodos de cálculo para el
tratamiento de los problemas varía fundamentalmente de acuerdo a la naturaleza
de la materia prima, productos y calidad final, y las condiciones de operación de la
unidad. Aunque los procedimientos a usar en estos casos son los mismos que para
las destilaciones sencillas, la complejidad de los problemas exige el uso frecuente
de generalizaciones empíricas y consideraciones especiales que dependen de
cada aplicación dadas por la experiencia.
2
OBJETIVO
El objetivo de este documento es presentar una introducción a los capítulos que
conforman la sección de “Fraccionamiento” con la finalidad de visualizar los
aspectos que deben ser cubiertos por el ingeniero de proceso en el diseño de
torres nuevas, y/o evaluación, modificaciones u optimización de torres existentes.
3
ALCANCE
Cubre los capítulos involucrados en el diseño de torres de fraccionamiento, los
cuales son los siguientes:
3.1
Principios Básicos
Describe las definiciones generales y consideraciones básicas que deben
tomarse en cuenta durante el diseño y evaluación de torres de fraccionamiento. Se
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incluyen los tipos de torres y sus aplicaciones a nivel industrial basado en la
experiencia.
3.2
Método General de Cálculo
Incluye los procedimientos y ecuaciones básicas que se deben emplear para
realizar un cálculo preliminar de la torre. Se proporciona una introducción a la
simulación con PRO II (Comercializado por Simsci) como herramienta más usada
en la IPPCN para generar un estimado inicial ”Short cut”. Aunque existen variedad
de simuladores como Hysim y ASPEN, no se presentan ejemplos típicos con los
mismos por el momento. También cubre los criterios para seleccionar el método
termodinámico de separación, la caracterización de la alimentación, selección del
componente clave y condiciones óptimas de operación de la Torre.
Se presentan las diferencias del fraccionamiento de alimentaciones livianas y
pesadas, así como un ejemplo de cálculo utilizando PRO II.
3.3
Diseño Riguroso de Torres
Describe los procedimientos para el cálculo y simulación de torres de
fraccionamiento usando el método riguroso. Se introduce al usuario a la
simulación rigurosa de torres de fraccionamiento usando PRO II como
herramienta ampliamente usada en la IPPCN. Se muestra como realizar una
evaluación y optimización de una torre existente. Aunque en el mercado se
encuentran otros paquetes de simulación para la de torres de fraccionamiento
como HYSIM, no se muestra en esta sección como realizar simulaciones con los
mismos.
El cálculo riguroso de torres involucra accesorios internos y dispositivos tales
como platos, deflectores, campanas o rellenos, eficiencia de los platos y
dimensionamiento de la Torre. Se presenta una guía útil para la selección del
dispositivo óptimo para un servicio dado. El diseño de los diferentes tipos de platos
serán tratados con detalle en capítulos siguientes.
El balance de masa y energía, y el dimensionamiento de la columna son incluidos
como parte del estudio.
3.4
Platos Perforados
Presenta los criterios y técnicas requeridas para realizar el diseño de platos
perforados. Se incluyen aplicaciones para servicios tipo, capacidad,
espaciamiento entre platos, la distribución de los platos, el tamaño y arreglo de los
orificios, dimensionamiento del bajante, eficiencia del plato y lo referente a la
hidráulica del plato, transferencia de calor y limitaciones. Se muestra el
procedimiento para el diseño de los mismos.
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Platos tipo Casquete de Burbujeo
Presenta los criterios y técnicas requeridas para realizar el diseño de platos tipo
casquete de burbujeo. Se incluyen aplicaciones para servicios tipo, capacidad, el
espaciamiento entre platos, la distribución de los platos, arrastre y vaciado,
arreglo, transferencia de calor, eficiencia del plato y lo referente a la hidráulica del
plato. Se muestra el procedimiento para el diseño de los mismos.
3.6
Platos tipo Surtidor (Jet Trays)
Presenta los criterios y técnicas requeridas para realizar el diseño de platos tipo
surtidor. Se incluyen aplicaciones para servicios tipo, capacidad, espaciamiento
entre platos, dimensionamiento del bajante, configuración del plato y lengüetas,
arrastre, goteo, vaciado, la eficiencia del plato, transferencia de calor, limitaciones
y lo referente a la hidráulica del plato. Se muestra el procedimiento para el diseño
de los mismos y consideraciones para el arranque.
3.7
Plato tipo Válvula
Presenta los criterios y técnicas requeridas para realizar el diseño de platos tipo
válvula. Se incluyen aplicaciones para servicios tipo, capacidad, espaciamiento
entre platos, dimensionamiento del bajante,área abierta y configuración de las
válvulas, transferencia de calor, cuellos de botella, limitaciones, eficiencia del plato
y lo referente a la hidráulica del plato. Se muestra el procedimiento para el diseño
de los mismos.
3.8
Transferencia de Calor por Contacto Directo
Se presentan los métodos para el dimensionamiento de las secciones de
transferencia de calor por contacto directo. Se describe el diseño de equipos para
servicio con recirculación. Determinación de la temperatura de retiro, optimización
de las secciones de transferencia de calor, limitaciones de las correlaciones. Un
cálculo típico se muestra.
3.9
Torres Empacadas
Presenta los criterios para la selección del tipo, tamaño del empaque, y
aplicaciones. El cálculo del diámetro de la torre y altura del empaque, caída de
presión, transferencia de calor y ubicación de las bocas de visita. Se presenta el
procedimiento de cálculo, así como un ejemplo típico.
4
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol III, Sección 3 ”Fraccionamiento”
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Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–DB–201–R
S PDVSA–MID–0603.1.107
Torres”
”Bandejas de Fraccionamiento con Bajantes”
”Guía de Ingeniería Material de Relleno para
Otras Referencias
S Manual del Ingeniero Químico, John H. Perry. Mc. Graw Hill, Book Company,
N.Y. (1967)
S Distillation. Principles and Design Procedures, R.J. Hengstebeck. Robert E.
Krieger Publishing Company, Huntington, N.Y. 1976
S Petroleum Refinery Distillation, 2th edition, R.N. Watkins. Gulf Publishing
Company, Houston London 1980
S Destillation Design, Henry Z. Kister. Mc. Graw Hill, N.Y. 1992