Fraccionamiento Tipos De Platos

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TORRES DE FRACCIONAMIENTO

PDVSA N°

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MDP–04–CF–06

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E1994

SELECCION DEL TIPO DE PLATO

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22 DESCRIPCION FECHA ENE.97

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F.R. APROB. APROB. FECHA ENE.97

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 SELECCION DEL TIPO DE PLATO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4.1 4.2 4.3 4.4

Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descripción de los platos más comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño de torres nuevas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Remodelaciones de torres existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 3 7 7

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OBJETIVO Presentar los platos frecuentemente utilizados en las operaciones de destilación y sus principales áreas de aplicación, para orientar al diseñador en la selección del tipo de plato más adecuado en su diseño.

2

ALCANCE Esta subsección presenta las características principales de los platos que se utilizan con mayor frecuencia en el mercado, y una comparación entre ellos que permite seleccionar el tipo de plato más indicado para el servicio que se está evaluando. También contiene discusiones sobre las diferentes limitaciones de procesos que restringen el rango de operación de un determinado diseño de platos. El diseño detallado de platos de fraccionamiento será cubierto en otras subsecciones.

3

REFERENCIAS S Pet. Process, Bolles W.L. Feb. 1956; p. 65; Marz. 1956, p. 82; Abr. 1956, p. 72; May. 1956, p. 109. S Design of Equilibrium Stage Processes, Bolles W.L., in B. D. Smith; Mc. Graw–Hill, N. Y. 1963. S Distillation, Van Wikle M.; Mc. Graw Hill, N.Y., 1967. S Distillation Design, Henry Z. Kister; Mc. Graw Hill, N.Y. 1992 S Distillation Operation, Henry Z. Kister; Mc. Graw Hill, N.Y. 1990 S Manual de diseño de procesos, Prácticas de Diseño, 1986

4

SELECCION DEL TIPO DE PLATO 4.1

Antecedentes Los platos tipo Casquete de Burbujeo (”bubble–cap tray”) fueron los caballitos de batalla en destilación antes de 1960. En los años siguientes han sido desplazados por los platos perforados (”sieve tray”) y los tipo válvula (”valve tray”). Actualmente los platos tipo casquetes de burbujeo se utilizan en aplicaciones especiales, mientras que los platos perforados y los tipo válvula son los más populares. Esta sección presenta las características principales de los platos que se utilizan con mayor frecuencia en el mercado, y una comparación entre ellos que permite seleccionar el tipo de plato más indicado para el servicio que se está evaluando. Existen otras patentes de platos disponibles en la industria que no se incluyen porque son utilizadas con poca frecuencia. Se hace mayor énfasis en las características de los platos perforados y tipo válvula, por ser los más utilizados en la industria.

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Generalmente, los platos perforados son considerados como la primera opción en la mayoría de las operaciones. Estos platos presentan una serie de ventajas en cuanto a: – Bajo Costo – Buena Capacidad – Buena eficiencia – Flexibilidad aceptable (turndown) Sin embargo, existen ciertas operaciones que requieren de las ventajas específicas de otros tipos de platos.

4.2

Descripción de los platos más comunes A continuación se describen los platos frecuentemente utilizados en las operaciones de destilación y sus principales áreas de aplicación. En la Figura No.1a se presentan fotografías de algunos de estos dispositivos. En primer lugar se describirán los platos más utilizados hasta los años 60: Platos tipo casquete de burbujeo “bubble–cap tray” Este plato se caracteriza por ser plano y perforado, con tubos pequeños en cada perforación (ver figura No. 1a), sobre estos tubos están colocados los casquetes (tazas invertidas). El arreglo se asemeja a pequeñas chimeneas colocadas en todo el plato. Los casquetes no siempre tienen aperturas (huecos) por donde sale el vapor (figura No. 1b). El líquido y la espuma son atrapados sobre el plato alcanzando por lo menos una altura igual a la del casquete o a la del ”weir”. Esto le da la habilidad única de operar a bajas velocidades de vapor y líquido, (ver figura No. 2a). Hoy en día estos platos son muy poco usados, debido a su alto costo, cerca de 50 a 100% más caros que los platos perforados. Estos tipos de platos podrían ser considerados cuando los requerimientos de flexibilidad son mayores de 3/1 y los platos tipo válvula no pueden utilizarse debido a posibles problemas de ensuciamiento o de formación de coque. Ver MDP–04–CF–10 Platos perforados “sieve tray” Este plato es plano y perforado (ver figura No. 3). El vapor asciende por los orificios ocasionando un efecto equivalente a un sistema de multiorificios (ver figura No. 2b). La velocidad del vapor evita que el líquido fluya a través de los orificios (goteo). A velocidades bajas el líquido gotea , no hace contacto con todos los orificios del plato y por lo tanto se reduce considerablemente la eficiencia. Esto le da a estos platos una flexibilidad operacional ”turndown” relativamente pobre. Estos platos son fáciles de fabricar y por lo tanto son bastante económicos. Para la mayoría de los servicios de fraccionamiento, los platos perforados representan la primera selección. Estos son de bajo costo y presentan una buena

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capacidad, excelente eficiencia y relativamente buena flexibilidad (hasta 3/1). Pueden ser usados en servicios sucios, siempre que los platos sean diseñados para diámetros de orificios grandes (19 a 25 mm, 0.75 a 1.0 pulg.). Ver MDP–04–CF–09 Platos perforados sin bajante “dual–flow tray” Son platos perforados sin bajante que (flujo dual o plato fluctuante) poseen alta capacidad, moderada eficiencia y baja flexibilidad, sin embargo estos platos deben ser apropiadamente diseñados para las cargas a las cuales van a ser operados, de los contrario no funcionarán satisfactoriamente. Estos platos operan con líquido goteando continuamente a través de los orificios, lo cual afecta su eficiencia (ver figura No.4). La altura de la espuma en este plato disminuye rápidamente cuando se reduce la velocidad del vapor, afectando aún más la eficiencia y por lo tanto su flexibilidad ”turndown”. Esta resulta ser más baja que la de los platos perforados con bajante. Se conoce que para diámetros > 8 pie estos platos experimentan inestabilidad. Son propensos a la canalización y por lo tanto sensibles a la pérdida de nivel y a la distribución del líquido. Debido a la ausencia de bajante, este plato ofrece mayor área de contacto, por lo tanto proporciona mayor capacidad que cualquiera de los platos más comunes. Esto lo vuelve una herramienta ideal para la remodelación de un sistema en donde sea posible sacrificar algo de eficiencia. La ausencia de bajantes y la gran cantidad de área abierta hacen a este plato el más apropiado para el manejo de servicios con problemas de ensuciamiento, ”slurries”, y servicios corrosivos. Estos platos también deberían ser considerados en sistemas donde se maneje aceite lodoso en la torre. Son los más económicos, de fácil instalación y mantenimiento. Platos tipo válvula “valve tray” La figura No. 5 muestra diferentes unidades de válvulas. Estas pueden ser circulares o rectangulares, con o sin una estructura ”caging”. El disco de la válvula sube a medida que aumenta el flujo de vapor (ver figura No. 2c). La máxima elevación del disco está controlada por la estructura ”caging” o por el largo de los sujetadores ubicados en la parte inferior de la válvula (”piernas”). A medida que el flujo de vapor disminuye la apertura del disco disminuye, lo que evita el goteo del líquido a través de los orificios, dando a este plato su principal ventaja: buena operación a flujos bajos, es decir, que proporciona gran flexibilidad (elevado ”turndown”). Estos platos pueden ser usados cuando los requerimientos de flexibilidad son mayores de 3 a 1 (turndown 30%), sin embargo, no deben ser usados en servicios sucios. Ver MDP–04–CF–12

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4.2.1

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Comparación entre los tipos de platos más comunes La tabla No. 1 compara los principales tipos de platos. La comparación es general, asumiendo que el plato está bien diseñado e instalado. Los platos perforados y tipo válvula tienen capacidades, eficiencia, arrastre y caída de presión comparables. Los platos tipo casquete de burbujeo tienen menor capacidad y eficiencia pero mayor arrastre y caída de presión al compararlos con platos perforados y tipo válvula. Los platos sin bajante presentan mejor capacidad pero una eficiencia inferior a la de los demás. La flexibilidad que poseen los platos tipo válvula es mucho mejor que la que presentan los platos perforados, pero no tan buena como la que se obtiene con los platos tipo casquete de burbujeo. Estos últimos son los más apropiados para servicios que manejan un flujo de líquido extremadamente bajo ( menos de 2 gpm por pie de diámetro por paso). Los platos tipo casquete de burbujeo son los más costosos, los platos perforados son los más económicos y los tipo válvula son sólo un poco más costosos. Los platos perforados son los que menor mantenimiento necesitan, la tendencia al ensuciamiento es la más baja, y el efecto de la corrosión también. Generalmente, los platos tipo casquete de burbujeo y los platos sin bajante son utilizados en aplicaciones especiales. Los primeros se prefieren tanto para aplicaciones donde se requiere una gran flexibilidad ”turndown” como para servicios que necesitan la eliminación de fugas. Los platos sin bajante se utilizan en servicios que manejan sólidos, que tienen gran tendencia al ensuciamiento y/o a la corrosión, y cuando se remodela ”revamp” una torre para aumentar su capacidad. Para la mayoría de otros servicios tanto los platos perforados como los tipo válvula son la mejor elección. Los perforados están en ventaja cuando el servicio es corrosivo, tiene tendencia al ensuciamiento o la flexibilidad ”turndown” no es importante; mientras que los tipo válvula son preferidos cuando la flexibilidad sí es un parámetro importante. Considerando el alto costo de la energía, los ahorros que se tienen en períodos cortos de disminución de la capacidad de procesamiento ”short turndown”, normalmente justifican la diferencia de precios entre los platos perforados y los platos tipo válvula. Esto ha logrado que útlimamente los tipo válvula se vuelvan más populares.

4.2.2

Otros tipos de platos Platos tipo chorro La gran capacidad que posee este plato para el manejo de líquido lo coloca en la primera posición cuando se trata de selección de plato para servicios de transferencia de calor, destilación atmosférica, fraccionamiento primario en desintegración catalítica y desintegración con vapor, combinación de torres y

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reflujos circulantes en reductoras de viscosidad. Ellos pueden ser utilizados en servicios donde hay ensuciamiento, pero no deben ser usados en destilación al vacío, ni en servicios que requieran un largo tiempo de residencia. Ver MDP–04–CF–11 Platos de bajante múltiple tipo linde Estos dispositivos son solicitados por ser particularmente útiles en servicios en los cuales la carga de líquido es alta. Aunque manejan una capacidad alta, la baja eficiencia y el alto costo los hace antieconómicos para diseños nuevos. Sin embargo, en situaciones de remodelación (“revamp”), estos platos pueden ser instalados a espaciados muy pequeños entre platos, y por lo tanto pueden proveer más etapas teóricas por metro (pie) de altura de la torre. Platos tipo nutter con rejillas en V “fixed valve” Estos dispositivos pueden ser mejor descritos como platos tipo válvula en los cuales la unidad válvula estaría fija en una posición completamente abierta. Estos son considerados como una alternativa de los platos perforados, generalmente tienen una flexibilidad ligeramente mejor. Los platos con rejillas en V son usados por su extensa longitud de recorrido en servicios donde hay ensuciamiento, cuando la unidad con rejillas en V está distribuida sobre un arreglo rectangular. Sin embargo, en caso de remodelación, cuando el flujo de líquido es menor de 3 dm3/s por metro de diámetro (1000 gal/h por pie de diámetro) por paso, se debe usar un arreglo triangular para evitar arrastre prematuro. Platos perforados verticales tipo mitsui VST Estos dispositivos son en apariencia similar a los platos tipo casquetes de burbujeo, pero el contacto líquido vapor se lleva a cabo dentro del casquete. Los platos tipo VST tienen una mayor capacidad que los platos perforados, pero su baja eficiencia y su alto costo los hace antieconómicos para diseños nuevos. Ellos pueden ser usados en situaciones de eliminación de cuellos de botella, si el fraccionamiento debe ser sacrificado para lograr un aumento de capacidad. Platos de transferencia de calor Los platos tipo surtidor se usan normalmente en transferencia de calor en todos los reflujos circulantes en la separación de los hidrocarburos pesados, ya que estos son carga de líquidos pesados, excepto en destilación al vacío. En servicios donde la carga ligeramente líquida es liviana y donde no se requiere una alta flexibilidad se pueden usar los platos perforados. En las zonas de reflujo de destilación al vacío, los anillos Pall o las rejillas Glitsch (la que sea más económica) son las mejores partes internas para remover calor. Cuando la caída de presión no es crítica y no se requiere una alta flexibilidad se pueden usar los platos tipo válvula o casquetes de burbujeo. Sin embargo un alto costo hace que no sean atractivos económicamente. Ver figura No. 6, Diagrama de Selección de internos en servicios de transferencia de calor.

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4.3 4.3.1

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Diseño de torres nuevas Diámetro mayor de 900 mm (3 pies) Los criterios presentados en la sección anterior son los utilizados para la selección del tipo de plato requerido para el diseño de torres nuevas. Ver figura No. 7, Diagrama para seleccionar las partes internas en torres de fraccionamiento nuevas. Además en la figura No. 8 se presenta un esquema para la selección de internos en servicios con posibilidad de ensuciamiento o formación de coque, a fin de evitar arrastre.

4.3.2

Torres de diámetro pequeño Para torres de diámetros menores de 900 mm, los platos Cartridge son generalmente más baratos que los empaques, aún siendo el relleno más atractivo económicamente, los platos aún serían preferidos porque su eficiencia puede ser predicha con más confiabilidad que los HETP‘s. Si el relleno debe ser usado para obtener una baja caída de presión, generalmente la selección más óptima es la de los anillos Pall.

4.4

Remodelaciones de torres existentes Generalmente hablando, las consideraciones arriba descritas para diseños de torres nuevas se aplican también a remodelaciones de torres existentes, sin embargo, el problema de selección del tipo de platos es más complicado. No es suficiente una comparación estrictamente económica de los tipos de platos, se deben considerar otras condiciones ( tamaño de la torre existente, uso de intercambiadores existentes, bombas, etc) para lograr modificaciones de mínima inversión pero de máximo rendimiento. Por lo tanto, el estudio económico debe realizarse tomando en cuenta tanto los costos de los platos como los costos de expansión de los equipos auxiliares. Los requerimientos externos de intercambiadores de calor están estrictamente relacionados con la capacidad y eficiencia del plato, esto da un mayor significado e importancia a las características del plato. En general, los objetivos de remodelaciones en una torre pueden ser clasificados en una de las tres categorías siguientes: – Incrementos de capacidad con sacrificio tolerable en la eficiencia. – Incrementos de capacidad, con igual o mejor eficiencia. – Igual capacidad, con un aumento de eficiencia. Para cada objetivo, generalmente uno o dos tipos de platos estarán muy próximos al óptimo en una operación dada. La selección final amerita un balance entre las principales características: capacidad, eficiencia, flexibilidad, caída de presión, etc, para cada una de las partes internas, estudiadas.

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Aumento de capacidad con sacrificio tolerable en la eficiencia Existen cinco dispositivos para lograr este objetivo: los platos perforados sin bajante ”dual–flow tray”, platos tipo surtidor ”jet tray”, platos de bajante múltiple tipo Linde, platos tipo Mitsui de tamiz vertical VST y anillos Pall (relleno). Los platos sin bajante son recomendados para torres de diámetro pequeño (menores de 1800 mm (6pie)) y los tipo surtidor para diámetros grandes, en torres con altos flujos de líquido. Debido a una baja eficiencia vs. características de capacidad de estos platos, las cargas deben mantenerse cerca de los valores de diseño para una operación más eficiente. Cuando la flexibilidad es importante, los anillos Pall deben ser considerados, sin embargo, estos tienen una capacidad menor que los platos de flujo dual o platos tipo surtidor. Los platos tipo Linde o tipo Mitsui VST también podrían ser considerados. Estos dispositivos tienen la propiedad de ofrecer una alta capacidad y una baja eficiencia. Los platos tipo Linde pueden ser instalados con espaciados muy pequeños entre platos (menores de 200 mm (8 pulg.)) y pueden ofrecer igual o mejor separación que un número mayor de platos a ser instalados a una altura dada. Los platos tipo Mitsui VST son los menos adecuados para ser instalados a menores espaciamientos entre platos, ya que usan un bajante de tipo convencional. La principal desventaja de estos platos es su alto costo. Aumentos de capacidad con igual o mejor eficiencia El diseñador generalmente tiene tres alternativas en esta clase de remodelaciones: platos perforados, anillos Pall y platos tipo Linde MD. Los platos perforados ofrecen la posibilidad de aumentar un poco la capacidad, particularmente al ir de uno a dos pasos, con igual o mejor eficiencia. Si el aumento de la eficiencia, es significativo, esto se verá reflejado por una capacidad mayor a través del uso de menores relaciones de reflujo. Los anillos Pall podrían también ser considerados. Este tipo de relleno tiene una capacidad ventajosa sobre los platos perforados, particularmente a alta carga de líquido. Los platos tipo Linde, discutidos anteriormente también pueden ser usados. Dependiendo del espaciamiento entre platos, se puede aumentar la separación global y con frecuencia se puede instalar un gran número de platos. En algunos casos especiales , por ejemplo, altas cargas de líquido, los platos tipo surtidor tienen la ventaja de lograr un rendimiento total mientras se mantiene la misma separación, y esto se logra aumentando el reflujo, a medida que se reduce la cantidad de alimentación. Mejor fraccionamiento con igual capacidad Existen cuatro criterios para esta categoría:

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1. Si la capacidad adicional de manejo de líquido y vapor están disponibles y los incrementos de costos de operación no son excesivos, el reflujo y/o la entrada de calor hacia el rehervidor y la alimentación puede ser incrementada. Este criterio es aplicado a torres que se operan cerca del reflujo mínimo. 2. Si la torre tiene una capacidad limitada, los anillos Pall podrían ser considerados especialmente a flujos altos de líquido. 3. Los platos tipo surtidor diseñados durante el período de 1955–1960 pueden estar operando a su potencial de máxima eficiencia. Para torres con flujos de líquido superiores a 10 dm3/s por metro de diámetro (3000 gal/h pie de diámetro) por paso y para diámetros mayores de 1500 mm ( 5 pie), algunos artificios pueden ser eliminados para aumentar el contacto en el plato. 4. Dependiendo de la economía y del tiempo de parada, los platos tipo surtidor pueden ser convertidos a platos perforados, o reemplazarlos por platos perforados más eficientes o por rellenos de anillos Pall. En la figura No. 9, se resumen los criterios para la selección del tipo de plato en remodelaciones de torres existentes.

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Tipo

Perforado

Válvula

Casquetes de Burbujeo

Sin bajante

Capacidad

Alta

Alta a Bastante Alta

Moderadamente Alta

Bastante Alta

Eficiencia

Alta

Alta

Moderadamente Alta

Menor que Cualquier Otro Tipo

Excelente Mejor que el tipo válvula. Buen comportamiento a flujos de líquido extremadamente bajos.

Baja Más baja que la de los platos perforados. No es adecuado para operación con cargas variables.

Flexibilidad ”turndown”

Media Buena, Relación 3/1

a

Buena 4–5/1

Relación

2/1,

Arrastre

Moderado

Moderada

Alto Aproximadamente 3 veces mayor que en platos perforados

Bajo a Moderado

Caída de Presión

Moderada

Moderada Diseños pasados tienen caídas de presión más altas. Diseños recientes igual que los platos perforados.

Alta

Baja a Moderada

Costo

Bajo

Aproximadamente 20% mayor que los platos perforados.

Alta

Bajo

Mantenimiento

Bajo

Bajo a Moderado

Relativamente Alto

Ensuciamiento

Bajo a Moderado

Bajo a Moderado

Alto, Tiende recolectar sólido

Efecto de la Corrosión

Bajo

Disponibilidad de Información de Diseño

Bien conocida

Bajo a Moderado

Disponible

Alto

Bien conocida

Bajo

a

Extremadamente bajo Bastante Bajo

Alguna disponible

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Tipo

Aplicaciones Principales

Utilización en el Mercado Otros

Perforado

Válvula

En la mayoría 1. En la mayoría de las torres, de las torres. cuando la 2. Servicios en flexibilidad no donde la es crítica. flexibilidad es importante. No es recomendable para servicios donde hay ensuciamiento.

25%

70%

Casquetes de Burbujeo

Sin bajante

1. Condiciones de 1. Para remodelaciones de flujo capacidad, donde la extremadamente flexibilidad y la eficiencia bajo. pueden sacrificarse. 2. Donde las fugas 2. Apropiada para servicios deben ser con gran ensuciamiento y eliminadas. corrosión. Manejo de Usados donde el sólidos. ensuciamiento de coque en los platos tipo válvula puede ser un problema. 5%

No se dispone de información

En ocasiones la operación es inestable cuando el diámetro de la torre es mayor de 8 pie.

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TABLA 2. COMPARACION DE OTROS TIPOS DE PLATO Tipo

Surtidor ”jet trays”

Bajante Múltiple tipo Linde

Perforados Verticales tipo Mitsui VST

Capacidad

Altísima a baja presión y altos flujos de líquido. Promedio para torres de alta presión.

Muy Alta

Alta Tanto como 25% mayor que que los platos perforados.

Eficiencia

Baja a Media Algunas posibles mejoras a los diseños viejos.

Baja a Media

Baja a Media Especialmente baja a altas cargas.

Baja

Aproximadamente igual que los paltos perforados.

Flexibilidad ”turndowm”

Bajo 1.5/1 ó 2/1

Costo

Bajo o medio Aproximadamente 5% mayor que los platos perforados.

Alto Pago por la tecnología del propietario de la patente.

Alto Las unidades de contacto son fabricadas solamente con aleaciones.

Aplicaciones Principales

Considerando solamente cuando el diámetro es mayor de 1500mm (5 pie) y el flujo de líquido es mayor de 10 dm3 por metro de diámetro (3000 gal/h pie de diámetro) por paso. Generalmente se usa en los reflujos circulantes de hidrocarburos pesados.

Pueden ser instalados con espaciamientos muy pequeños entre platos.

Usados para la eliminación de cuellos de botella donde no se acepte otro dispositivo y las pérdidas e eficiencia puedan ser tolerables.

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Fig 1a. PLATO TIPO CASQUETE DE BURBUJEO

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Fig 1b. DIFERENTES DISEÑOS PARA LOS CASQUETES

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Fig 2. FLUJO DE VAPOR A TRAVES DE LOS PLATOS, (A) TIPO CASQUETE DE BURBUJEO, (B) PLATO PERFORADO, (C) TIPO VALVULA

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Fig 3. PLATO PERFORADO

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Fig 4. PLATO PERFORADO SIN BAJANTE ”DUAL–FLOW TRAY”

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Fig 5. DIFERENTES TIPOS DE UNIDADES DE VALVULAS

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Fig 6. SELECCION DE INTERNOS EN SERVICIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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Fig 7. DIAGRAMA PARA SELECCIONAR LAS PARTES INTERNAS EN TORRES DE FRACCIONAMIENTO NUEVAS

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Fig 8. ESQUEMA PARA LA SELECCION DE INTERNOS A FIN DE EVITAR ARRASTRE EN SERVICIOS CON POSIBILIDADES DE ENSUCIAMIENTO O FORMACION DE COQUE

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Fig 9. DIAGRAMA PARA SELECCIONAR LAS PARTES INTERNAS EN REMODELACIONES DE TORRES (REVAMPS)