2. MÉTODOLOGÍA DEL AHORRO ENERGÉTICO EN COLUMNAS DE DESTILACIÓN

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1 2. MÉTODOLOGÍA DEL AHORRO ENERGÉTICO EN COLUMNAS DE DESTILACIÓN En este capítulo se expondrá una metodología estándar para buscar posibles fuentes de ahorro en columnas de destilación que estén actualmente en servicio. Este apartado se divide en dos subapartado: - Cómo ahorrar energía? - Qué técnica aplicar? 2.1 CÓMO AHORRAR ENERGÍA? Para el ahorro de energía en procesos donde están involucrado las columnas de destilación existen tres grupos de mejoras diferenciados: Estrategias básicas de mejoras Mejoras mediante modernizaciones convencionales Técnicas avanzadas para la mejora energética en destilación. A Continuación se expone las técnicas de cada grupo Estrategias básicas de mejoras En muchas operaciones de destilación el simple hecho de aplicar mejoras de bajo coste operacionales puede originar una significante mejora en la eficiencia energética. Casi el 60% de los informes de mal funcionamiento en destilación son causados por deficiencias operacionales, fallos internos en las columnas y problemas de instrumentación y control. Las principales estrategia en este campo se basa en los estudios de los siguientes puntos Especificación de producto La especificación del producto es el factor clave en el diseño y operación de cualquier columna de destilación. La mayoría de las columnas han sido cuidadosamente diseñadas y optimizadas, pero la operación real puede estar alejada de la condición óptima. En una columna existente, la especificación es normalmente controlada por la relación de reflujo (aporte de energía) y los flujos de productos (balance de masa global). Cualquier 2

2 desviación respecto a las condiciones de diseño tendrá un impacto directo sobre la exigencia energética de la columna. Normalmente la obtención de un producto con especificaciones mayores de la requerida en el mercado no implica un aumento de precio de venta de este, y esta mejora significante provoca un aumento de demanda energética en la columna que no se valora después en su precio. Condiciones de la alimentación Unas condiciones de alimentación óptima es uno de los más comunes métodos para reducir la energía requerida en la columna de destilación. El calor aportado por la alimentación puede reducir la carga térmica en el reboiler. Los ahorros potenciales que se pueden obtener dependen además de separación deseada en términos de caudales, entre el destilado y el fondo. Por ejemplo, si por la corriente de cabeza representa el 80% del producto, una alimentación en el estado vapor puede provocar un gran ahorro. Mientras que si el producto mayoritario es la corriente de fondo una alimentación en estado vapor puede provocar un ahorro insignificante. La alimentación a la columna de destilación puede venir de muchos tipos de equipos, tales como otra columna de destilación, un intercambiador de calor o un reactor, y con frecuencia hay margen para modificar las condiciones de alimentación. Por ejemplo, si la corriente viene de la cabeza de una columna anterior, puede tomarse como todo el vapor (siempre existe suficiente diferencia de presión) o como todo el líquido. Los intercambiadores de calor pueden ser modificados o añadido para calentar o enfriar el alimento. Se puede utilizar un vapor para calentar la alimentación, que debe estar a una presión más baja (y, por tanto, a un costo menor), que el que se utiliza en el reboiler, provocando un ahorro. La recuperación de calor de corrientes de proceso es la forma ideal de bajo costo para calentar o enfriar el alimento. Optimización del reflujo La optimización del reflujo durante el diseño de la columna es un compromiso entre los costes de inversión y los costes operacionales asociados al reboiler. Reduciendo el reflujo se consiguen ahorros tanto en el condensador como en el hervidor. Además provoca una reducción en la pureza de los productos en una columna existente. En una columna de destilación existente la optimización del reflujo se determina económicamente, es un compromiso entre la pureza de los productos y la energía. 3

3 Subenfriamiento del Reflujo El subenfriamiento es normalmente causado por el exceso de capacidad de los condensadores. Evitar el subenfriamiento puede producir ahorros energéticos en las bombas del agua de refrigeración y en los ventiladores de los aerorrefrigeradores. Optimización de la presión de trabajo Esta es una de las variables del proceso que se puede optimizar, que consiste en bajar la presión del condensador lo máximo posible, la mínima presión de trabajo posible lo marcaría la máxima capacidad de refrigeración del condensador. Reducir la presión provoca un aumento de la volatilidad relativa, esto se interpreta en una mayor facilidad de separación y por tanto un menor aporte de energía será necesario para conseguir el producto deseado. Control del reboiler La mayoría de los reboiler son controlados por la corriente de vapor, sin un sistema de control automático, el caudal de vapor al reboiler puede resultar excesivo, obteniéndose además un producto sobreespecificado. Aislamiento Un aislamiento reduce las pérdidas de calor y en consecuencia reduce la energía de aporte del reboiler. Ensuciamiento Un aumento del ensuciamiento del reboiler provoca un aumento en la presión del vapor requerido, hasta llegar al punto que es necesaria una parada para limpiar. Optimizar el ciclo de limpieza puede conseguir también importantes ahorros. Condensados recuperado y mantenimiento de la trampa de vapor Los condensados del reboiler deben ser enviados al generador de vapor de nuevo, mientras que las trampas de vapor deben tener un buen mantenimiento ya que si no están funcionando correctamente provocaría un aumento en la corriente de vapor. 4

4 2.1.2 Mejoras mediante modernizaciones convencionales En este bloque de mejoras se trata de integral la mejora energética cuando se va a disponer una modernización de la instalación (revamping). No se suele aplicar solo como medida de ahorro ya que una modernización de la instalación implica un gran desembolso de capital, y debería ser bastante grande el ahorro provocado solo por la mejora energética para llevarlo a cabo. En este grupo de mejoras podemos citar las siguientes: Integración energética Quizás las mayores reducciones en consumición de energía en la destilación pueden lograrse mediante la integración eficaz del calor. Las herramientas bien establecidas como la tecnología Pinch se puede usar para asegurar que una columna de destilación está trabajando correctamente. Localización de la alimentación Encontrar la etapa de alimentación óptima garantiza que el calor aportado y extraído, tanto en el reboiler como en el condensador son los mínimos definida las demás condiciones de operación. Para una columna de destilación especificada correctamente, es habitual incluir varios lugares de alimentación (para permitir cambios en las materias primas, etc), por lo que la reubicación de la alimentación es una opción de bajo coste. La adición de una nueva boquilla de alimentación es costoso, especialmente si es requerida una parada, y en estos casos puede valer la pena añadir distribuidores internos (tuberías) para reubicar el punto de alimentación. Localización de reboiler, condensador y Pumparounds. Parte del calor puede ser añadido en punto intermedios de la columna, por tanto se requiere añadir calor a una menor temperatura o un vapor de menor presión. Una forma más convencional de recuperación de calor intermedio de una columna es pumparound. Un pumparound tiene la función de un condensador intermedio. El líquido es extraído de la columna, se enfría en un intercambiador y luego regresa por encima. Una aplicación típica de pumparound es en las columnas de fraccionamiento en refinería que disponen de una amplia gama de productos de ebullición. 5

5 Diseño de intercambiadores de calor La mayoría de los problemas de los intercambiadores proviene debido al sobredimensionamiento y factores de seguridad con los que fueron diseñados. Los intercambiadores destinados a recuperar el calor de las corrientes de colas, calentando la alimentación, suelen restringirse al uso de una sola carcasa con el fin de reducir los costes de inversión. Pero en mucho de ellos se produce un cruce de temperatura que provoca problemas de eficiencia en el intercambiador. En estos casos es más eficiente utilizar un intercambiador con menor área y múltiples carcasas. Un reboiler sobredimensionado puede provocar un exceso de área requerido. Esto puede provocar un condensado de presión más baja que la requerida ocasionando problemas en la evacuación de los mismos. El exceso de área puede ser controlado por una bomba de condensados o un control de nivel, que controle la inundación en el banco de tubos. Alta efciciencia de platos y rellenos Platos y rellenos con alta eficiencia reduce el número de etapas necesaria para alcanzar las especificaciones de los productos. Incluir más platos en una columna provoca la necesidad de reducir el reflujo, provocando un ahorro energético. Sistema de control El sistema de control es crítico para la mejora de la eficiencia energética en las operaciones con columnas de destilación. La implantación de un buen sistema de control es barata comparado con los cambios en equipos de procesos, y una gran mejora en el rendimiento energético, a veces con payback de pocos meses. A continuación se muestran algunos de los aspectos básicos en el control de la destilación: - La columna se controla para que la impureza de uno o varios productos sea la máxima. - Operar la columna con la menor presión posible. - Controlar las condiciones óptimas de alimentación. Otros métodos de destilación Dependiendo de la mezcla a separar se podría proponer otros tipo de destilación, como la destilación extractiva, la destilación azeotropica y la destilación a vació. 6

6 2.1.3 Técnicas avanzadas en la mejora energética de la destilación Esta sección cubre las técnicas avanzadas que son más aplicables al diseño de equipos nuevos o una renovación a gran escala. La eficiencia energética es una consideración importante en cualquier nuevo diseño, con los costes de inversión adicionales por lo general justificada por el ahorro de energía durante la vida útil del equipo. Mientras la renovación a gran escala para reducir el consumo de energía por sí sola no suelen justificarse, si se planea una renovación por otros motivos, la energía de separación debe ser siempre considerada. Destilación de doble efecto La Figura muestra la clásica disposición de la destilación de doble efecto. La alimentación se divide y se alimenta a dos columnas paralelas separadas que operan a diferentes presiones, lo que hace posible la integración del calor entre el condensador de la columna de alta presión y la caldera de la columna de baja presión. Esta medida puede reducir a la mitad aproximadamente el consumo de energía, pero la inversión aumenta debido a la cáscara de destilación adicional y un intercambiador de calor. Figura 1: Esquema de la destilación de doble efecto. Bombas de calor La recompresión del vapor mediante una bomba de calor puede ser una manera económica para ahorrar costes de energía en la destilación de mezclas cerca de de su punto de ebullición. En otros casos, los costos de compresión y los costes adicionales de capital son mayores que los ahorros 7

7 en energía térmica. El éxito de estas aplicaciones se ha comprobado para la separación de mezclas de propano-propileno. La técnica básica se muestra en la siguiente figura. El vapor de cabeza de la columna se comprime y luego se condensa en el reboiler. La compresión eleva la temperatura de condensación lo suficiente como para proporcionar la diferencia de temperatura necesaria para mantener la destilación. El de vapor condensado se recoge en un tambor de reflujo y la presión es controlada. Figura 2: Esquema de la instalación de una bomba de calor Secuencia de destilación La separación de una mezcla de varios componentes en sus componentes constitutivos requiere varios pasos de destilación. El orden en que los componentes se separan influye en los costes operativos y de capital del sistema. Prefraccionamiento El prefraccionamiento es una de las maneras más eficaces de reducir el consumo de energía en la destilación. Este método es termodinámicamente más eficiente que el equivalente de dos columnas disposiciones convencionales, por lo general requiere 30% menos energía. Acoplamiento térmico En lugar de tener un sistema de dos columnas cada una con su propio reboiler y condensador, es posible acoplar dos columnas térmicamente. En la siguiente figura se puede ver un ejemplo de acoplamiento térmico. En esta secuencia se transfiere el producto de cola de la primera columna a la 8

8 segunda. El vapor requerido en la primera columna es suministrado por la segunda columna, que actúa como reboiler. Figura 3: Esquema del acoplamiento térmico de columnas División de la pared de la columna La división de la pared de la columna busca combinar los beneficios del prefraccionamiento y del acoplamiento térmico. En términos energético la configuración de prefraccionamiento y acoplamiento térmico es el mismo. En la siguiente figura se representa esta combinación. Estas columnas se denominan Petlyuk, en el que un bafle central divide la sección central en dos partes. Además de los ahorros energéticos se puede reducir la inversión en equipos hasta un 30%. Figura 4: Esquema del prefraccionamiento, acoplamiento térmico y pared doble. 9

9 2.2 QUÉ TÉCNICA APLICAR? Para considerar que técnicas son aplicables a una columna existente se ha procedido a la elaboración de una hoja de comprobación "Checklist". Esta hoja contiene unas series de cuestiones que nos facilitará la técnica a aplicar. Sea considerado únicamente los métodos de bajo coste. Checklist o Existen puntos calientes o fríos con un aislamiento deficiente? o Es excesiva la pureza de los productos? - En casos afirmativos revisar sistema de control y reflujo o Puede reducirse el reflujo? - Comprobar mediante simulación o El condensador está subenfriando demasiado? - Estudiar la posibilidad de reducir la presión o Puede reducirse la presión? o Puede incorporarse más platos? o Las condiciones de la alimentación son adecuadas? Las contestación de estas preguntas nos encamina rápidamente que factor tenemos que estudiar para conseguir la mejorar la eficiencia energética de una columna de destilación. 10