Kitabı oku: «Preparar y acondicionar los equipos principales e instalaciones auxiliares de la planta química. QUIE0108»

Capítulo 2
Operaciones en los equipos de separación
1. Introducción

Las operaciones de separación consisten en dividir una mezcla en dos o más de sus componentes aprovechando la diferencia en alguna de las propiedades (volatilidad, densidad, solubilidad, difusividad, etc.) de los componentes a separar.

La operación tendrá un diseño y un nombre concreto en función de qué propiedad se utilice para realizar la separación y qué estados físicos de los productos separados se obtengan. De la misma forma, el equipo que realiza la separación recibirá un nombre asociado a esta. Por ejemplo, decantación y decantador son la operación y el equipo asociado y la diferencia de densidades la propiedad utilizada para llevar a cabo la separación.

Las operaciones de separación requerirán en muchos casos trabajar a presiones y temperaturas diferentes de las ambientales, por lo que, en este capítulo, se recogerán los conceptos fundamentales para el trabajo con equipos a presión y con intercambiadores de calor.

Conocer las relaciones que se establecen entre equipos, operaciones, propiedades y estados físicos de los productos es el objetivo básico que se persigue en este capítulo, de forma que el operador pueda relacionar estos conceptos con el manejo de las variables de proceso, los procedimientos operativos y el mantenimiento de los equipos.

2. Generalidades del Reglamento de aparatos a presión (derogado por el Reglamento de equipos a presión)

El Reglamento de aparatos a presión (RAP) que fue aprobado por el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, y modificado por el Real Decreto 507/1982, de 15 de enero, por el Real Decreto 473/1988, de 30 de marzo, y por el Real Decreto 1504/1990, de 23 de noviembre, se completaba con sus instrucciones técnicas complementarias (ITC).

Sabía que...

El Reglamento de aparatos a presión contaba con 17 instrucciones técnicas complementarias (ITC), cada una relativa a un tipo de aparatos a presión y que iban desde la ITCMIE- AP1 hasta la ITC-MIE-AP17.

Esta legislación fue derogada, a excepción de la ITC-MIE-AP3 (Generadores de aerosoles), por el Reglamento de equipos a presión (REP), aprobado por Real Decreto 2060/2008 y publicado el 5 de febrero de 2009.

Posteriormente, el Real Decreto 1381/2009, publicado el 23 de septiembre de 2009 y en vigor a partir del 29 de abril de 2010, deroga el Real Decreto 2549/1994, por el que se modifica la ITC-MIE-AP3 del RAP, referente a generadores de aerosoles.

De forma que el REP es la normativa en vigor para los equipos a presión, definiendo los criterios y requisitos de una manera general para los equipos a presión, siendo las ITC del REP las que particularizan los criterios y requisitos exigidos para cada tipo de instalación. Actualmente, existen seis ITC en vigor, con la siguiente asignación:

1 ITC EP-1, sobre calderas.

2 ITC EP-2, sobre centrales generadoras de energía eléctrica.

3 ITC EP-3, sobre refinerías y plantas petroquímicas.

4 ITC EP-4, sobre depósitos criogénicos.

5 ITC EP-5, sobre botellas de equipos respiratorios autónomos.

6 ITC EP-6, sobre recipientes a presión transportables, que se insertan tras dicho reglamento.

Si se observa detenidamente la descripción de las ITC del REP, se comprobará que algunas de ellas van a ser de repetida aplicación en plantas químicas, como es el caso de la ITC EP-3 (Refinería y plantas petroquímicas).

Para definir el campo de aplicación del reglamento, se establecen una serie de definiciones, entre las que destacan las de equipo a presión y usuario como conceptos de partida para la interpretación del REP.

Definición

Equipo a presión Todo elemento diseñado y fabricado para contener fluidos a presión superior a 0,5 bar.

Usuario Persona física o jurídica que utiliza, bajo su responsabilidad, los equipos a presión o las instalaciones.

El REP asigna al usuario la responsabilidad última de la operativa del equipo a presión, atribuyéndole la obligación de conocer y aplicar las disposiciones del fabricante en cuanto a la utilización, medidas de seguridad y mantenimiento de los equipos.

Bajo los criterios del REP, son obligaciones del usuario:

1 No poner en servicio la instalación o impedir el funcionamiento de los equipos si no se cumplen los requisitos exigidos en el reglamento.

2 Disponer de un dossier documental a disposición del órgano competente de la Comunidad Autónoma, de los equipos instalados con toda la documentación acreditativa (declaraciones de conformidad, instrucciones del fabricante, proyecto y certificado de la instalación, actas de pruebas periódicas, certificaciones de cambios de ubicación, cambio de servicio, reparaciones y modificaciones), así como la que pueda derivarse de lo requerido por la correspondiente ITC.

3 Utilizar los equipos en los márgenes de seguridad marcados por el fabricante y retirarlos del servicio si no son seguros.

4 Realizar el mantenimiento de los equipos y sus sistemas de control y seguridad de acuerdo a las condiciones de operación y las instrucciones del fabricante, debiendo examinarlos al menos una vez al año.

5 Ordenar la realización de las inspecciones periódicas que correspondan, así como las reparaciones o modificaciones necesarias, debiendo disponer y mantener al día un registro de los equipos a presión, incluyendo las fechas de las inspecciones periódicas, reparaciones y modificaciones.

Otras definiciones básicas para la interpretación de la normativa recogida en el REP son:

1 Presión máxima admisible (PS): presión máxima para la que está diseñado el equipo, especificada por el fabricante. Esta presión es equivalente a la denominada como presión de diseño en la anterior reglamentación.

2 Presión de precinto (Pp): presión a la que el elemento de seguridad que protege al equipo a presión aliviará presión para reducirla a niveles aceptables para la seguridad del equipo.

3 Presión de prueba (PT): presión a la que se somete el equipo a presión para comprobar su resistencia. Corresponde a la mayor presión efectiva que se ejerce en el punto más alto del aparato durante la prueba de presión.

4 Presión máxima de servicio (Pms): presión más alta, en las condiciones de funcionamiento, que puede alcanzar un equipo a presión o instalación.

5 Puesta en servicio: puesta en funcionamiento por el usuario de un equipo a presión o instalación, para su primera utilización o después de una reparación, modificación o cambio de emplazamiento.

6 Reparación: acción de recomponer las partes sometidas a presión de un equipo, que garantice las características y las condiciones iniciales de fabricación y de funcionamiento.

7 Temperatura: la magnitud física del nivel térmico de los fluidos en el interior de un equipo a presión.

8 Temperatura máxima/mínima de servicio (Tms): temperatura más alta o más baja que se estima puede producirse en el interior del equipo en condiciones extremas de funcionamiento.

9 Fluido de prueba: fluido utilizado en la prueba de resistencia del equipo.

10 Temperatura de prueba: temperatura a la que se encuentra el fluido de prueba mientras se le aplica la presión de prueba al equipo para comprobar su resistencia.

Recuerde

El Real Decreto 1244/1999, por el que se aprobaba el Reglamento de aparatos a presión (RAP) fue derogado por el Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión (REP).

2.1. Presión, fluido y temperatura de prueba

En la realización de las inspecciones y pruebas, se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones, recogidas en el Anexo de la ITC EP-3, Refinerías de petróleo y plantas petroquímicas.

Presión de prueba

En la presión de prueba, se tiene en cuenta lo siguiente:

1 a. El valor de la presión de prueba (Pp) será el indicado por el fabricante del equipo o, en su defecto, el de la prueba hidrostática de fabricación, no pudiendo superarse el 90% del límite elástico del material a la temperatura de prueba para los esfuerzos primarios de membrana. Como excepción, cualquier reducción de los valores de presión de prueba deberá ser aprobado por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, previa justificación técnica y con el informe favorable de un organismo de control.

2 b. En caso de equipos sometidos a vacío, deberá dedicarse atención especial a la estanquidad de los mismos, por lo que, cuando se lleve a cabo una inspección de nivel B, deberá realizarse una prueba de estanquidad antes de su puesta en servicio.NOTA:los equipos sometidos a vacío que contengan fluidos incombustibles o no formadores de mezclas explosivas están exentos de estas pruebas.

3 c. A los equipos que funcionen en unas condiciones de utilización bajo las cuales la experiencia demuestra que no se originan problemas de corrosión interior (equipos con temperatura de servicio menor o igual a 0 ºC en sistemas con fluidos no corrosivos) se les aplicarán los requisitos siguientes:

1 Los equipos se someterán a la primera prueba de presión hidrostática, quedando exentos de las siguientes pruebas periódicas de nivel B y C, salvo que por otras causas tengan que ser puestos fuera de servicio para reparación. En este caso, se hará inspección visual de la zona reparada y se le someterá a una prueba de presión.

2 En cualquier caso, los inspectores propios harán inspecciones periódicas de nivel A, con el fin de conocer el estado de las zonas donde puede haber corrosión exterior y donde se concentran los mayores esfuerzos.

1 d. El procedimiento de prueba de presión será el indicado por el fabricante del equipo o, en su defecto, contemplará una descripción detallada del mismo, así como:

1 Condiciones de prueba.

2 Equipos necesarios para la ejecución de la prueba.

3 Aparatos de medida y control, debidamente contrastados y con una sensibilidad adecuada. Se procurará que la lectura se sitúe en el tercio central de la escala del aparato.

4 Sistemas de llenado y vaciado y tiempo de mantenimiento de la presión de prueba.

5 Indicación de los puntos en los que se deberá extremar la atención.

Fluido de prueba

Para la prueba a presión hidrostática se utilizará normalmente agua a temperatura ambiente. Durante la prueba, la temperatura del agua no será inferior a 10 ºC.

Cuando el diseño del equipo fije la naturaleza, calidad y temperatura del fluido de prueba, las pruebas de presión se harán de acuerdo con lo establecido, adoptándose todas las precauciones pertinentes.

Entre otras, se consideran como razones técnicas justificativas para el cambio de fluido de prueba o sustitución de la misma las siguientes:

1 Dudas razonables en la resistencia estructural de cimientos o fundaciones.

2 Efecto perjudicial del fluido en elementos internos o paredes del aparato.

3 Dificultades de secado del circuito, de drenaje o venteo.

4 Dificultad material para realizar la prueba hidrostática.

Temperatura de prueba

En ningún momento puede estar por debajo de la temperatura mínima de servicio ni por encima de la temperatura máxima de servicio, para evitar dañar los elementos internos del equipo.

2.2. Precauciones (aislamiento de instrumentos, válvulas de seguridad, etc.)

Las precauciones y requisitos de seguridad durante la realización de las inspecciones y las pruebas para los equipos que se estudian en este capítulo se recogen en el Anexo de la ITC EP-3, Refinerías de petróleo y plantas petroquímicas.

Sabía que...

El REP prevé sanciones para las infracciones e incumplimientos de las obligaciones recogidas en el reglamento, de acuerdo con lo indicado en el título V de la Ley 21/1992, de 16 de julio, de Industria.

Durante la realización de los ensayos y pruebas, deberán observarse unas estrictas condiciones de seguridad para evitar que las actuaciones a realizar puedan provocar accidentes.

Antes de llevar a cabo las pruebas de presión, se comprobará que el equipo para pruebas es correcto y que las conexiones son adecuadas a las presiones máximas que se van a alcanzar, así como que se han dispuesto las medidas de seguridad suficientes para evitar sobrepasar la presión de prueba y que, en ningún momento, estará por debajo de la temperatura señalada en el diseño, ni dañará los elementos internos del aparato. Antes de la prueba, será necesario:

1 Aislar los instrumentos de control.

2 Aislar de las válvulas de seguridad.

3 Purgar el aire del sistema.

4 Poner discos ciegos para aislar el equipo del resto de la instalación.

Para la prueba hidrostática

Se procederá a comprobar que las estructuras y fundaciones que sustenten el equipo o sistema están en condiciones de resistir la carga a que van a ser sometidas, antes de llenar con agua.

Se cuidará que el personal se mantenga alejado, durante el desarrollo de la prueba, de los fondos, tapas y piezas roscadas y se evitará la presencia de personas ajenas a la prueba.

Los manómetros se instalarán fuera de la proyección vertical, aislándolos de un posible impacto, y se preferirá situarlos lateralmente o en posición superior.

Importante

Durante el llenado de agua, se cuidará ventear bien el circuito para evitar que queden cámaras de aire o vapor.

Debido a la elevada energía almacenada en la prueba hidrostática, se tomarán precauciones especiales cuando la presión de prueba sea superior a 80 bar o si el producto de la presión de prueba (Pp) en bares por el volumen (V), en metros cúbicos es superior a 10.000, para lo cual es necesario hacer un plan detallado de secuencia de la misma, tiempo de duración y distancia mínima de seguridad.

Para la prueba neumática

Esta prueba reviste un mayor riesgo que la prueba hidrostática, por lo que previamente deberá hacerse una inspección del aparato.

Deberá hacerse siempre un plan detallado de las etapas de su desarrollo, con tiempos de mantenimiento de las presiones durante cada etapa, definiendo asimismo la distancia mínima de seguridad para crear un perímetro de seguridad donde los instrumentos serán aislados.

Importante

Durante el desarrollo de la prueba, se señalizará la zona por la cual no se permitirá la circulación de personal ajeno a la misma.

Inspección de las válvulas de seguridad

Las válvulas de seguridad se desmontarán cuando se realice la parada programada de inspección del sistema al que pertenecen o con la periodicidad que corresponda a la realización de las inspecciones de nivel B para su ajuste, prueba y precintado. La regulación se realizará en banco de pruebas, teniendo en cuenta las recomendaciones de los fabricantes de las mismas.

Nota

En el caso de calderas sometidas a llama, la periodicidad de las comprobaciones será al menos cada dos años.

Las válvulas de los sistemas de producción de vapor y todas aquellas que, por sus características de funcionamiento lo permitan, podrán ser comprobadas en su lugar de emplazamiento.

Las comprobaciones de tarado y precintado serán supervisadas por un organismo de control.

2.3. Procedimientos de prueba según tipo de elemento. Depósitos y columnas

Para la ejecución de las pruebas periódicas, el usuario dispondrá los medios materiales y humanos necesarios, así como la preparación de los equipos o instalaciones para que la ejecución se realice en condiciones de seguridad.

Los procedimientos de prueba dependerán del tipo de equipo a ensayar, que, para equipos de refinerías de petróleo y plantas petroquímicas, se clasifican bajo los criterios recogidos en el artículo 3 de la ITC correspondiente. Estos son:

1 1. Potencial de riesgo: los recipientes se clasificarán según el producto de la presión máxima admisible (PS en bar) por el volumen (V en m3):

1 Potencial 1: mayor o igual a 1.000.

2 Potencial 2: mayor o igual a 300 y menor a 1.000.

3 Potencial 3: mayor o igual a 25 y menor a 300.

4 Potencial 4: mayor o igual a 10 y menor a 25.

5 Potencial 5: menor a 10.

1 2. Características de los fluidos: según las características de los fluidos con los que operan los equipos, se clasificarán:

1 Grupo 1.1: fluidos inflamables en forma de vapores, líquidos, gases y sus mezclas, a temperatura máxima de servicio Tms igual o superior a 200 ºC; gases o líquidos clasificados como muy tóxicos e hidrógeno a cualquier temperatura en concentraciones superiores al 75% en volumen.

2 Grupo 1.2: otros fluidos peligrosos incluidos en el grupo 1 del artículo 9 del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, y que no se clasifiquen en el grupo anterior.

3 Grupo 2.1: gases no peligrosos incluidos en el grupo 2 del artículo 9 del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo (vapor de agua, gases inertes, inocuos, aire, etc.).

4 Grupo 2.2: otros fluidos no peligrosos que no se clasifiquen en el grupo anterior.

Mediante la combinación del potencial de riesgo y de las características de los fluidos, se establecen las clases de equipo dentro de la ITC EP-3.

Los aspectos relativos a inspecciones periódicas asociadas a las diferentes clases de equipos se recogen en el artículo 6 de la ITC EP-3.

Estos son:

1 1. Las inspecciones periódicas se realizarán atendiendo a los siguientes criterios:

1 Nivel de inspección A (inspección exterior en servicio): además de lo indicado en el Anexo III del Reglamento de equipos a presión, deberá realizarse una comprobación de espesores por ultrasonido y/o cualquier ensayo no destructivo que se considere necesario. En caso de equipos cuya temperatura del metal no permita la realización de dichos ensayos, deberán ser realizadas en un plazo no superior a un año del establecido.

2 Nivel de inspección B (inspección interior fuera de servicio): consistirá, al menos, en una completa inspección visual interna y comprobación de espesores de todas las partes sometidas a presión, pudiendo aplicarse adicionalmente los ensayos no destructivos que se consideren necesarios. Cuando una inspección interior no se pueda llevar a cabo por imposibilidad física o razones técnicas justificables, se sustituirá por los ensayos no destructivos necesarios que garanticen una seguridad equivalente o por una prueba de presión. En el caso de tuberías, no será necesario realizar la inspección interna.

3 Nivel de inspección C (prueba de presión): están exentos de realizar la prueba hidrostática los equipos sometidos a vacío.NOTA:cuando una inspección interior no se pueda llevar a cabo por imposibilidad física o razones técnicas justificables, se sustituirá por los ensayos no destructivos necesarios que garanticen una seguridad equivalente o por una prueba de presión.

1 2. Las inspecciones y pruebas a las que deben someterse los depósitos y columnas, así como el resto de recipientes dentro del alcance, se realizarán atendiendo a la clasificación expresada en el artículo 3.3 de la ITC EP-3, por los agentes y con las periodicidades máximas recogidas en la siguiente tabla.

1 3. Las tuberías que correspondan a unidades de proceso con diámetro superior a DN 50 y cuyo valor de PS. DN > 1.000 deberán ser inspeccionadas, al menos, con el nivel B, por los agentes y con las periodicidades máximas que se indican, no siendo obligatorio realizar la de nivel C.

1 4. Excepcionalmente, las inspecciones de nivel B y C de esferas o depósitos de almacenamiento de gases licuados del petróleo se realizarán conjuntamente y tendrán una periodicidad máxima de 10 años.

2 5. Además de las inspecciones periódicas, deberán realizarse cuantos controles, inspecciones o pruebas se consideren necesarios para garantizar la integridad de los equipos e instalaciones. Cuando en las inspecciones periódicas, así como en las inspecciones adicionales realizadas por el usuario, se descubran corrosiones o daños, se deberá seguir su evolución mediante las inspecciones del usuario en las paradas de las instalaciones, para decidir, a la vista de la corrosión y del estado del aparato, si procede realizar una reparación.

3 6. Cuando, por la experiencia adquirida en la realización de inspecciones periódicas, determinados equipos no presenten problemas de utilización, envejecimiento o mediante técnicas especiales de ensayos no destructivos que aporten seguridad equivalente, podrá autorizarse, de acuerdo con el artículo 12 del Reglamento de equipos a presión, la modificación de los niveles de inspección o los plazos, con el correspondiente informe favorable de un organismo de control autorizado.

Las inspecciones deberán acreditar unas condiciones de seguridad y de resistencia adecuadas.

Importante

Es responsabilidad del usuario garantizar estas condiciones de seguridad.

Las inspecciones y pruebas podrán incluir verificaciones, inspecciones con ensayos no destructivos, pruebas hidrostáticas y otras pruebas alternativas.

Aplicación práctica

Acaban de instalar un pequeño recipiente presurizado para almacenar nitrógeno (gas inerte) en la planta donde trabaja. El objetivo de la instalación del citado recipiente es suministrar gas de inertización a un pequeño reactor biológico al que está conectado, de forma que se pueda detener la reacción y arrastrar la mezcla reactiva fuera del reactor cuando interese. El recipiente cuenta con un volumen de 10 m3 y su presión máxima admisible es de 2 bar. ¿A qué niveles de inspección está obligado el recipiente? ¿Qué agente debe realizar las inspecciones? ¿Con qué periodicidad?

SOLUCIÓN

Lo primero será determinar el potencial del riesgo del equipo. En este caso, el producto de PS (en bar) por V (en m3) será igual a 2 x 10 = 20, por lo que el potencial de riesgo será potencial 4.

Después, se determinará el grupo según las características del fluido. Al ser un gas inerte, pertenecerá al Grupo 2.1.

Con estos dos datos, puede analizarse la tabla que determina la clase de equipo. En este caso, se trata de un equipo de clase 4. Por lo que, atendiendo a la clasificación expresada en el artículo 3.3 de la ITC EP-3, se sabe que el equipo está exento de inspecciones de nivel C y que debe someterse a inspecciones de nivel A y de nivel B cada 6 y 12 años respectivamente, y, además, que estas inspecciones las realiza un inspector propio.

Depósitos

En el caso de los depósitos, se observa que son elementos que pueden encontrarse catalogados en cualquiera de las clases posibles, desde la clase 1 a la 5. Esto se debe a que el potencial de riesgo puede tomar cualquier valor (desde depósitos de poco volumen a baja presión, potencial de riesgo 1, a depósitos de gran volumen y alta presión, potencial de riesgo 5) y pueden contener fluidos de cualquiera de los grupos (1.1, 1.2, 2.1 o 2.2).

Por ello, los procedimientos de prueba y la periodicidad de las inspecciones, para cada depósito, dependerán del fluido de trabajo, la presión máxima admisible y el volumen.

Columnas

En el caso de las columnas, se observa algo similar al caso de los depósitos. Esto se debe a que el potencial de riesgo para las columnas puede tomar cualquier valor (desde columnas de poco volumen a baja presión, potencial de riesgo 1, a columnas de gran volumen y alta presión, potencial de riesgo 5). Por otra parte, las columnas contienen, generalmente, fluidos inflamables o peligrosos (grupos 1.1 y 1.2).

Por ello, las columnas, al igual que los depósitos, pueden encontrarse catalogados en cualquiera de las clases posibles, desde la clase 1 a la 5.

Así, los procedimientos de prueba y la periodicidad de las inspecciones, para cada columna, serán determinados en función de la presión máxima admisible y el volumen, principalmente.

Recuerde

Los procedimientos de prueba a los que el REP obliga a los aparatos a presión dependerán del potencial de riesgo asociado al equipo y de las características de los fluidos con los que opera.

3. Equipos de separación líquido-líquido y gas-líquido

De las múltiples operaciones de separación líquido-líquido y gas-líquido posibles, destaca, por su gran importancia y utilización en las industrias petroquímicas, la destilación. El equipo correspondiente a esta operación es la columna.

En este apartado, se tratarán las principales modificaciones que sobre esta operación de separación pueden encontrarse en la industria química y las principales variantes de equipos asociadas.

3.1. Columnas de destilación, rectificación y extracción (columnas de platos y de relleno)

La evolución en la industria química de la operación de destilación ha dado lugar a otras operaciones de mayor complejidad (purificación, rectificación, fraccionamiento, etc.) que se agrupan de forma genérica bajo el término destilación, ya que por destilación se conoce al proceso diseñado para separar componentes de una mezcla líquida con puntos de ebullición diferentes mediante la aplicación combinada de los fenómenos físicos de vaporización y condensación. El proceso se basa en el hecho de que el vapor generado al calentar una mezcla líquida y en equilibrio con ella es, en general, más rico en el componente más ligero.

Sabía que...

Cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas de ebullición de los componentes de la mezcla, más fácil resultará su separación, mientras que, para una diferencia entre las temperaturas de ebullición mínima, la destilación puede resultar imposible, por lo que se buscará una operación de separación alternativa.

Dentro de la destilación, se pueden distinguir tres modificaciones básicas en la operación:

1 Destilación simple: se limita a vaporizar parcialmente una mezcla y recoger los vapores condensados.

2 Rectificación: destilación en la que se utiliza reflujo. Por reflujo se conoce la modificación de la destilación simple en la que parte del vapor que sale por la parte superior de la columna es condensada y reintroducida en esta para conseguir una corriente de líquido descendente, produciéndose un enriquecimiento progresivo del componente más volátil y mejorando el rendimiento de la separación.

3 Fraccionamiento o extracción multicomponente: destilación de una mezcla de varios productos en fracciones o cortes diferentes, como es el caso del petróleo crudo, de forma que, en la columna, no solo se obtendrán dos productos (cabeza y fondo), sino que habrá tantas fracciones de la destilación como salidas tenga la columna.

Ejemplo

Un caso del fraccionamiento o extracción multicomponente es la separación de un crudo de petróleo en gasolina, queroseno, fuel-oil y aceites lubricantes.

Todas las destilaciones comparten el principio básico de funcionamiento y el equipo industrial que las representa es también el mismo: la columna.

Sabía que...

De todas las destilaciones, la rectificación destaca por ser la más utilizada y la de mayor importancia económica.

Una columna es un recipiente cilíndrico vertical en cuyo interior se ponen en contacto dos fases diferentes (una fase líquida y una fase vapor en destilación que fluyen en contracorriente). Para mejorar el contacto de estas fases, se diseñaron diferentes elementos interiores para columnas, distinguiéndose entre columnas de relleno o de platos, dependiendo del contenido de las columnas. El equipamiento interior de la columna determina si las fases se ponen en contacto de forma continua o discontinua.

En una columna típica, se diferencian tres zonas:

1 De alimentación o de flash: donde la corriente de alimentación se expansiona desde unas condiciones de presión y temperatura a la presión de la columna, produciéndose la revaporización de parte de la misma.

2 De enriquecimiento: parte de la columna que queda por encima de la alimentación, en la que los vapores se enriquecen de producto ligero.

3 De agotamiento: parte de la columna que queda por debajo de la alimentación, en la que la corriente líquida descendente se empobrece de producto ligero.

Columna de platos

Es un recipiente cilíndrico vertical con una elevada relación longitud/diámetro, cuyo interior se ha compartimentado mediante un conjunto de placas circulares, con agujeros que ocupan casi por completo la sección de la columna (o platos), colocadas a lo largo de la columna a unas ciertas distancias.

Nota

Las distancias y el número de platos necesarios para efectuar una separación dependen de los componentes a separar y de sus propiedades. Normalmente, cuanto mayor es el número de platos en la columna, mayor será la separación conseguida.

En las columnas de platos, la separación se lleva a cabo en etapas sucesivas, pero dentro de un único equipo. El plato proporciona una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido desciende por el interior de la columna, plato a plato, por gravedad; mientras, el vapor asciende a través de las perforaciones de cada plato, burbujeando a través del líquido. El burbujeo produce un contacto y un intercambio de materia que provoca que los vapores que ascienden por la columna enriquezcan progresivamente en componente ligero, saliendo por la parte superior de la columna (cabeza) como componente puro, y que el líquido que rebosa de los platos se empobrezca a lo largo de su recorrido descendente hasta llegar a la parte inferior (fondo).

El fondo de la columna es calentado para obtener la corriente ascendente de gases, mientras que los vapores de cabeza se condensan para conseguir la corriente de líquido descendente (reflujo).

Recuerde

En la parte de la columna más baja, se encuentra la mezcla más rica en el componente menos volátil, por lo que está a mayor temperatura, mientras que, en la cabeza, se encuentra la mezcla más rica en ligero y, por tanto, a menor temperatura.

Las columnas de platos permiten un funcionamiento estable y una instalación y mantenimiento simples.

Los tres tipos de platos más comunes son:

1 Plato de campanas o de barboteo: ha sido el plato más ampliamente utilizado. Las campanas se colocan sobre unos conductos de subida.

2 Plato perforado: el tipo de plato más simple, requiriendo únicamente la perforación de pequeños agujeros en la placa.

3 Plato de válvulas: un punto medio entre los platos de campanas y los perforados. Las válvulas se colocan sobre unas perforaciones.

Columnas de relleno

En estas columnas, el contacto íntimo entre líquido y vapor se consigue mediante un equipamiento interior formado por un material de relleno, que puede tener múltiples formas. El líquido desciende impregnando al material de relleno, mientras que el vapor asciende entrando en contacto con él. El intercambio no se realiza por burbujeo, sino de manera continua.

La función principal del relleno es aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, mejorando así la transferencia de materia y la eficacia. Un reparto uniforme del líquido y el vapor por toda la columna puede dar buenos rendimientos, sin embargo, descenderá si se forman caminos preferentes por donde el líquido y el vapor puedan pasar sin entrar en contacto.

La clasificación básica de elementos de relleno se estable en dos:

1 Al azar: relleno económico y construido en materiales resistentes a la corrosión (metal, cerámica o plástico), generalmente en forma de anillos (anillos Pall, monturas Intalox y anillos Bialecki).

2 Estructurado: bastante más caro que el relleno al azar, pero con menores pérdidas de carga y mayor eficiencia y capacidad.

La columna de relleno está divida en diferentes secciones, cada una de ellas con un plato rejilla en el fondo que soporta el material de relleno.

Nota

Tanto los materiales de construcción como las formas de las piezas de relleno son muy variados.

Se prefiere el uso de columnas de relleno frente a las de platos cuando:

1 Las columnas son de pequeñas dimensiones.

2 Se opera con sustancias corrosivas o se forma mucha espuma.

3 Se requiere que la pérdida de carga en la columna sea pequeña.

Su uso está muy extendido para operaciones de lavado de gases, absorción y, en general, procesos donde se requiera una gran superficie de intercambio o donde las temperaturas de ebullición estén muy alejadas.

Recuerde

Las columnas pueden ser de destilación, rectificación o extracción bajo criterios de operación, y de platos o de relleno, según sea su equipamiento interior.

3.2. Equipo auxiliar (rehervidores, condensadores, coladores, distribuidores de flujo, rompenieblas, etc.)

Entre las operaciones auxiliares que pueden encontrarse en la industrias químicas, están las que proporcionan calor y refrigeración de proceso, el suministro de servicios básicos (energía, vapor, aire y gases para la planta), el control de emisiones a la atmósfera, la recogida y tratamiento de las aguas residuales, el alivio de presiones y el bombeo, almacenamiento, tratamiento y refrigeración del agua de proceso.

Los equipos auxiliares participan, por tanto, de forma directa en la obtención de los productos, determinando las condiciones de la operación y siendo, en muchos casos, los últimos equipos de la operación, por lo que su funcionamiento tiene una influencia directa en la calidad del producto final.

A continuación, puede verse una representación esquematizada de una instalación típica de rectificación con sus equipos e interconexiones.

Las operaciones de destilación no están exentas del uso equipos auxiliares para su operativa y pueden ser de muy diversos tipos. Los principales se presentarán en los siguientes apartados.

Rehervidores

Son los equipos encargados de calentar el producto de fondo de la columna para generar la corriente de vapor necesaria para mantener la relación líquido/ vapor y la temperatura necesaria en cada plato. Este vapor asciende por la columna, cediendo calor al líquido que desciende, despojándolo de los componentes más ligeros. De esta forma, cuando el vapor llega a la cabeza de la columna, tiene una composición enriquecida en los componentes más volátiles.

En esencia, un rehervidor (o reboiler) es un intercambiador de calor, generalmente de carcasa y tubos, que se coloca a un nivel por debajo del fondo de la columna. Este intercambiador suele estar físicamente separado de la columna para facilitar las labores de mantenimiento y limpieza y conectado a ella mediante tuberías. El producto de la columna suele circular por los tubos, mientras que el elemento calefactor lo hace por la carcasa.

En la mayoría de los rehervidores, se usa vapor de agua como elemento calefactor, aunque también es común el uso de aceite de calefacción en esta función.

Nota

La elección del aceite suele relacionarse con columnas que han incorporado el rehervidor en el interior de la columna.

Independientemente del elemento calefactor seleccionado, se debe garantizar la ebullición del fondo de columna, para lo cual hay que alcanzar la temperatura de ebullición del producto de fondo, la cual depende de la composición del producto de fondo y de la presión a que está trabajando la columna.

La circulación del producto de fondo por el interior del rehervidor se asegura utilizando una bomba, especialmente indicada para productos viscosos o propensos a polimerizar.

Condensadores

El condensador es el equipo encargado de obtener el producto destilado en forma líquida mediante la condensación de los vapores de cabeza de la columna, ya sea para devolverlo a la columna como reflujo o para ser extraído del proceso.

En esencia, no es más que un intercambiador de calor, normalmente multitubular, en el que por un circuito circula el producto a condensar y por el otro un agente refrigerante que retira energía térmica del vapor para producir su cambio de estado. La elección del agente dependerá de la temperatura de condensación del producto destilado.

El condensador, generalmente, es un equipo independiente de la columna, aunque, en algunas columnas pequeñas, puede estar instalado en la propia cabeza de la columna.

Sabía que...

Rehervidores y condensadores son modelos de intercambiadores de carcasa y tubos adaptados como equipos auxiliares de las columnas de destilación.

Coladores

Los coladores son elementos de forma cónica fabricados en metal y con un gran número de perforaciones del mismo tamaño. Se colocan en las líneas de salida de fondo de la columna para evitar que algún objeto o cuerpo extraño puedan llegar a otros equipos al ser arrastrados por la corriente de líquido.

Estos suelen ser sustituidos por un filtro en los casos en que la producción de sólidos o cuerpos extraños (suciedad, productos de polimerización, etc.) sea previsible por las condiciones del proceso, evitando que se puedan obstruir o ensuciar otros equipos.

Distribuidores de flujo

El objetivo de los distribuidores de reflujo es distribuir la corriente líquida de reflujo uniformemente por todo el plato para optimizar el intercambio líquido-vapor.

El diseño más simple y extendido consiste en un tubo con perforaciones que esparcen el reflujo sobre el plato en forma de lluvia.

Rompenieblas

El rompenieblas es un elemento que se coloca en la salida de cabeza de la columna y que permite el paso de los vapores, pero impide que estos arrastren pequeñas gotas de líquido en suspensión.

Consiste en un cartucho construido con una fina malla metálica.

Acumulador

Es un depósito destinado a recoger el producto de cabeza una vez condensado; su capacidad de almacenamiento debe ser diseñada para asegurar una corriente de reflujo constante.

Sabía que...

Algunos modelos de acumuladores disponen de un sistema para separar dos productos por decantación, modificación que es interesante cuando el condensado de cabeza está compuesto por productos que, al decantar, se separan en dos fases.

3.3. Depósitos de materias extrañas y trampas de líquidos

A continuación, se van a ver con detalle los depósitos de materias extrañas y las trampas de líquidos.

Depósitos de materias extrañas

En equipos que trabajan con derivados del petróleo y se encuentran sometidos a elevadas presiones y temperaturas, como es el caso de un gran número de equipos de destilación, es un problema común la aparición de reacciones de polimerización, que generan residuos dentro del equipo.

Estos residuos, junto con cuerpos extraños, sólidos en suspensión y elementos metálicos desprendidos de los equipos, pueden quedar retenidos en la columna o en otros equipos, formando depósitos. Entre otros problemas, pueden ocasionar:

1 Obstrucciones de tuberías, platos y relleno.

2 Fallos en equipos de bombeo.

3 Aparición de impurezas en los productos.

4 En general, pérdida de rendimiento en los equipos que sufren la deposición.

Trampas de líquidos

Son recipientes horizontales diseñados para realizar la recolección de pequeñas gotas de líquido que pueden estar presentes en una corriente gaseosa, separando así una corriente bifásica líquido-gas en dos corrientes monofásicas, una líquida y otra gaseosa.

Generalmente, se encuentran en instalaciones petroquímicas para separar gotas de hidrocarburos del gas proveniente del crudo.

Esta separación se realiza para poder enviar la corriente gaseosa purificada al sistema de compresión, ya que la presencia de pequeñas gotas en el compresor acarreará a medio plazo graves problemas para el equipo.

Las trampas de líquido operan, generalmente, a altas presiones y temperaturas cercanas a la atmosférica, favoreciendo la condensación de cualquier sustancia con baja volatilidad. Su uso se reserva al tratamiento de corriente con elevadas relaciones volumétricas gas/líquido.

3.4. Mezclas peligrosas (reactivas, tóxicas, explosivas, etc.)

Por la propia naturaleza de los procesos químicos, en cada industria tienen lugar numerosas operaciones de separación y mezcla de diferentes sustancias y en diferentes proporciones. En ocasiones, estas mezclas llevarán asociados peligros en función a sus propiedades intrínsecas. En este apartado, se describirán los peligros asociados a:

1 Mezclas reactivas.

2 Mezclas tóxicas.

3 Mezclas explosivas.

4 Mezclas inflamables.

Reactivas

La reactividad (o inestabilidad) de una mezcla está relacionada con la capacidad de una sustancia de liberar energía por sí misma (por ejemplo por autorreacción o polimerización) o de generar erupciones violentas o reacciones explosivas al entrar en contacto con el agua, con otros agentes de extinción o con otros materiales.

Otros factores que pueden aumentar la violencia de la reacción pueden ser:

1 Aplicación de calor o presión.

2 Contacto con determinados materiales, formando una combinación combustible-oxidante.

3 Contacto con sustancias incompatibles o con catalizadores.

Importante

El peligro de reactividad de una mezcla de sustancias aumenta con la facilidad de que ocurra la reacción y con la velocidad de la reacción y por la cantidad de energía liberada en esta.

Tóxicas

Las sustancias, o mezclas de sustancias, tóxicas son aquellas que presentan peligros para la salud y, dentro de esta denominación, se comprenden todas aquellas que pueden ocasionar daños a las personas por contacto o absorción. Hay peligros para la salud debidos a las propiedades específicas del material y otros ocasionados por los productos generados en su combustión o descomposición.

Ejemplo

Entre las mezclas tóxicas y peligrosas que pueden encontrarse en las industrias químicas, están el cloro, el benceno, el amianto, el ácido sulfhídrico, el ácido sulfúrico, el ácido fluorhídrico, las aminas o el fenol.

Explosivas

Para que una mezcla explosiva llegue a dar lugar a una explosión, deben darse unas circunstancias muy concretas. Solo cuando se produzca una mezcla de aire con gases, vapores, nieblas, polvos o fibras inflamables, en condiciones atmosféricas en las que, después de la ignición, la combustión se propague a través de toda la mezcla no consumida, podrá hablarse de explosión. La ignición solo ocurrirá cuando simultáneamente concurra la presencia de una atmósfera explosiva con una aportación energética, la cual podrá ser en forma de llama, chispa, arco eléctrico o temperatura excesiva.

En lo que respecta a la mezcla, será tan importante qué sustancias formen dicha mezcla como las concentraciones en las que se presenten.

Nota

Una mezcla será explosiva cuando la concentración de gases, vapores o nieblas inflamables en aire estén dentro de un determinado rango, delimitado por los límites inferiores y superiores de explosividad.

Inflamables

El peligro de inflamabilidad determina la facilidad de un material para participar en una combustión. La forma y características inherentes de los materiales influyen en el peligro de inflamabilidad. Como consecuencia, la inflamabilidad de una mezcla se comporta de forma diferente según las circunstancias.

En presencia de una fuente de ignición, las mezclas inflamables son fuentes potenciales de riesgo. De forma genérica, se puede decir que, en la industria petroquímica en general y en las operaciones de separación en particular, la mayoría de materias primas y productos son inflamables.

3.5. Estabilidad de la columna. Efectos negativos de los cambios rápidos

La estabilidad y el funcionamiento de una columna solo pueden analizarse en un periodo de tiempo, no de forma puntual. Esto es debido a que es un equipo que precisa de que en todos sus platos se realice la destilación de forma continua, dando tiempo a cada plato para alcanzar su equilibrio líquidovapor. La modificación de cualquier variable afectará a toda la columna, por lo que la operación necesitará un tiempo suficiente para recobrar el equilibrio en cada plato y, por tanto, la estabilidad.

Los valores de temperatura, presión, nivel y caudal a lo largo del equipo son los que indican el correcto o incorrecto funcionamiento de una columna de destilación. El seguimiento de estas variables permitirá conocer qué ocurre en cada punto de la columna y de qué forma se debe regular el equipo para mantener estables las condiciones de trabajo. Por ello, antes de efectuar cualquier corrección en cualquier variable, es imprescindible analizar la modificación y sus consecuencias y dar el tiempo necesario al sistema para que se regule y muestre el efecto producido.

Las correcciones no deben realizarse bruscamente, sino paulatinamente, minimizando las perturbaciones y facilitando estabilización la columna.

Nota

El estudio de los valores de las variables de control y la influencia que sobre ellas tiene cada una de las variables de operación debe bastar para conseguir una operación normal, que deberá ser confirmada mediante el análisis químico de los productos.

Temperatura

Se mide en continuo en múltiples puntos de la columna, ya que es útil para determinar la composición en cada uno de ellos. De todos los puntos de medida de temperatura de la columna, los más relevantes son:

1 En la alimentación, donde la temperatura suele ser la de ebullición de la corriente entrante para la presión a la que se encuentre.

2 En el plato de control (plato intermedio cuya temperatura determina la calidad del funcionamiento de la columna). Es la temperatura más importante de la columna. El plato de control será seleccionado entre los que sufran una mayor modificación de su composición al compararlo con el inmediatamente superior e inferior, ya que será más fácil detectar un desplazamiento de la composición del plato de control hacia uno u otro.

3 En la cabeza y el fondo de la columna.

4 En el reflujo.

Un aumento de la temperatura en cualquier plato significa un aumento en la concentración de pesados, como consecuencia de un flujo excesivo de vapores o demasiado pequeña de líquido, de forma que se actuará aumentando el reflujo de la columna.

Un descenso en la tempera en cualquier plato significa un descenso en la concentración de pesados, como consecuencia de un flujo pequeño de vapores o excesivo de líquido, de forma que se actuará aumentando el caudal de vapor.

Presión

Normalmente, la presión de la columna se mantiene constante y se considera que su valor es igual a la presión en la cabeza de la misma, a pesar de que exista una presión diferencial entre cabeza y fondo, cuyo valor es de suma importancia para analizar el funcionamiento. Un valor elevado de la presión diferencial entre cabeza y fondo indican problemas de suciedad, elevado flujo de vapor o alturas de líquido excesivas que generan dificultades a la corriente de vapor para atravesar los platos.

La presión en la columna determina las temperaturas de ebullición de todas las mezclas en equilibrio a lo largo de la columna, por lo que los flujos de vapor y líquido dependen también del valor de la presión y cualquier modificación en ella supondrá la desestabilización de todos los flujos a lo largo de la columna.

Nivel en depósitos auxiliares de la columna de destilación

Los principales niveles a controlar son:

1 Nivel de fondo de la columna: debe mantenerse estable, normalmente al 50%. Un nivel bajo podría ocasionar que los tubos del rehervidor queden al descubierto, aumentando la temperatura en esta superficie no cubierta por el líquido y dando lugar a ensuciamientos en la superficie de intercambio del rehervidor, con su consecuente pérdida de rendimiento. Mientras, un nivel excesivo pueden ocasionar arrastre de líquido e incluso inundación en los platos inferiores de la columna.

2 Nivel del acumulador: controlado para asegurar un reflujo constante.

Sabía que...

En columnas de fraccionamiento puede haber un control de nivel por cada plato en el que se realice una extracción lateral.

Caudal

Los caudales a controlar son:

1 Alimentación: suele tener un valor prefijado por el diseño o por el proceso, por lo cual debe mantenerse constante, tanto en cantidad como en composición, para evitar alterar el funcionamiento la columna.

2 Reflujo: puede regularse para ajustar el funcionamiento de la columna y la calidad de los productos. Un escaso caudal de reflujo genera un producto en cabeza pobre en componentes volátiles. Un excesivo reflujo no afecta a la calidad del producto en cabeza, pero provoca un aumento en el gasto energético.

3 Fluido calefactor: puede regularse para ajustar el funcionamiento de la columna. A través de su control, se podrán modificar diversas temperaturas a lo largo de la columna o el nivel de fondo. Este flujo es proporcional al gasto energético de la columna, que debe ser el mínimo posible.

Recuerde

Los valores de temperatura, presión, nivel y caudal a lo largo de la columna son los que determinan la calidad de los productos de la destilación.

3.6. Operaciones de parada. Preparación de la columna para la entrada

En este apartado, se presentan las principales operaciones que se deben seguir para la parada programada y la puesta en marcha de una planta de destilación.

Operaciones de parada

Las paradas programadas para la realización de labores de mantenimiento o reparación requerirán de una secuenciación que garantice la seguridad para las personas, el medioambiente y la instalación. La operación de parada consistirá, de forma muy resumida, en:

1 1. Reducir gradualmente la temperatura de alimentación a columna, reduciendo la circulación de fluido calefactor en el intercambiador de alimentación.

2 2. Reducir la temperatura en el rehervidor, reduciendo la circulación de fluido calefactor en el rehervidor.

3 3. Reducir los caudales de alimentación y de reflujo gradualmente, hasta alcanzar valores seguros para apagar las bombas de alimentación y reflujo.

4 4. Verificar que la temperatura en el rehervidor desciende hasta la inactividad.

5 5. Apagar la bomba y cerrar la válvula de entrada de fluido de refrigeración al condensador.

6 6. Vaciar el producto de los depósitos de almacenamiento de productos de cabeza y fondo.

7 7. Vaciar el hervidor.

Preparación de la columna para la entrada

Antes de iniciar la puesta en marcha, la columna se encontrará inertizada.

Nota

Para inertizar la columna, se llenará únicamente de nitrógeno, que es una sustancia con baja reactividad.

Para que la operación pueda iniciarse habrá, por tanto, que alimentarla con una mezcla en el punto de ebullición del plato donde se introduce. La alimentación formará entonces las primeras corrientes de vapor y las primeras corrientes líquidas, que seguirán caminos opuestos. Los líquidos bajarán, llenando platos de la zona de agotamiento, y los vapores ascenderán, condensando en cada plato una parte de este vapor. La porción que condensa en cada plato será más rica en el más volátil cuanto más arriba en la columna condense.

Cuando el rehervidor se inunde con el líquido que ha ido descendiendo plato a plato por el interior de la columna, entra en funcionamiento el rehervidor, generando una corriente de vapor que llenará toda la columna y desplazando al nitrógeno presente inicialmente, que sale de la columna por cabeza. Poco a poco, la presión aumentará hasta alcanzar la presión de diseño. Será la presión la que determine las temperaturas de trabajo en la columna para unas composiciones de productos dadas.

En este momento, empezará a obtenerse en el condensador una corriente de líquido que será enviada al acumulador. Cuando se ha alcanzo un nivel de líquido que garantice la estabilidad del reflujo, este entra en funcionamiento.

En este momento, comienza la regulación del equipo, se modificarán las variables de control hasta alcanzar las corrientes de líquido y vapor deseadas en cada plato, ya que aún las composiciones de cabeza y fondo están lejos de los valores deseados y, para alcanzarlos, deberá pasar el tiempo suficiente para que la cabeza y el fondo se enriquezcan en pesados y volátiles, respectivamente. Este tiempo no se sacará producto, ni se seguirá alimentando la columna, sino que todo el producto de cabeza que se condense se devolverá a la columna hasta conseguir la calidad deseada de los productos de cabeza y fondo. Será entonces cuando se pueda extraer producto e introducir alimentación nuevamente, pero se hará lentamente, para preservar la estabilidad del equipo. Las otras variables (presión, temperatura, reflujo, etc.) se mantendrán en los valores adecuados y se ajustarán con suavidad.

3.7. Limpieza y reparación. Prueba y verificación. Preparación para la puesta en marcha

A continuación, se van a ver con detalle las acciones de limpieza, reparación, prueba y verificación necesarias para la puesta en marcha de las columnas de destilación, rectificación y extracción y de todos sus equipos auxiliares.

Limpieza y reparación

Puede denominarse como anomalía a las alteraciones generadas en el proceso por motivos diferentes que los provocados por la modificación de las variables de operación.