Artículo profundo y valioso ‖ ¡Cómo reformar de manera adecuada los equipos antiguos para lograr un mayor ahorro energético y mayor eficiencia!

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Artículo profundo y valioso ‖ ¡Cómo reformar de manera adecuada los equipos antiguos para lograr un mayor ahorro energético y mayor eficiencia! 13-08-2016 La relación entre la petroquímica y la actitud hacia la vida. Para mejorar la capacidad de procesamiento de la torre, es necesario abordar algunos problemas: cuál es el potencial de los equipos antiguos, cuáles son los factores que limitan su capacidad de procesamiento, y qué métodos se pueden utilizar para realizar las reformas de manera económica y al mismo tiempo satisfacer las necesidades de aumento de producción. En realidad, el problema clave aquí es predecir la capacidad máxima de procesamiento de la torre. Sin embargo, en este caso hay una diferencia con respecto a la fase de diseño: durante las mejoras y optimizaciones se exige una predicción más precisa. Un error del 10% al 20% suele ser aceptable en la fase de diseño, pero en el caso de las mejoras y optimizaciones, ese tipo de error es demasiado grande. En este momento, la ventaja es que ya existen dispositivos antiguos, así como una amplia experiencia operativa y documentación relacionada. Se deben aprovechar al máximo estas condiciones favorables para que las predicciones sean más precisas y realistas. La predicción de la capacidad máxima en la fase de eliminación de cuellos de botella se basa en mediciones fiables, y no en relaciones generales. Se podría decir que esta es una perspectiva fundamental para la modernización de equipos antiguos, y lo mismo ocurre para mejorar la calidad del producto y ahorrar energía. Para obtener la máxima capacidad de procesamiento del equipo antiguo, es decir, la mayor capacidad para procesar materias primas o la mayor cantidad de productos que se pueden producir, deben realizarse dos pruebas. Primero, cambiar la posición de alimentación para determinar la mejor posición de alimentación ； Luego, se reduce gradualmente la relación de recirculación R, al tiempo que se verifica la calidad del producto. De esta manera, se determina el valor mínimo de dicha relación de recirculación necesario para producir productos de calidad. Dado que este valor es menor que el de las operaciones de producción habituales, esto indica que la torre cuenta con cierto margen de maniobra. Finalmente, se realizó un ensayo de transbordamiento líquido en la torre a este mínimo ratio de reflujo operativo, con el fin de determinar el flujo máximo de la torre. A través de los ensayos mencionados, se puede calcular la capacidad máxima de procesamiento de materias primas o la cantidad máxima de productos que puede producir el equipo antiguo. Si esta capacidad es suficiente para satisfacer las necesidades de aumento de producción, entonces el problema queda resuelto. Si aún existe alguna diferencia, se debe modificar la torre. En este momento, es necesario determinar los factores que limitan la capacidad de procesamiento de la torre, para luego decidir el plan de reforma. Los cálculos de simulación de la torre desempeñan un papel importante en la modernización de los equipos. Sin embargo, las diversas ecuaciones y datos básicos utilizados en dichos cálculos deben ser verificados con los datos reales obtenidos de la torre de destilación, a fin de garantizar que los resultados de la simulación reflejen la realidad del funcionamiento de la torre. Las relaciones y datos más básicos en los cálculos de simulación de columnas de destilación son los siguientes. 1. Relación de equilibrio de fases: La relación debe derivarse preferiblemente de datos de equilibrio de fases medidos experimentalmente, y dichos datos deben tener una alta calidad. Es decir, es necesario pasar la prueba de consistencia termodinámica: el error entre los datos de equilibrio de fases estimados mediante las relaciones establecidas y los valores medidos debe ser pequeño, y el rango de concentraciones de los datos medidos debe abarcar todo el rango de concentraciones presente en la torre, para evitar extrapolaciones. Por ejemplo, si la concentración del producto es del 99,5%, pero los valores medidos son solo del 95% o menos, ese rango de valores medidos resulta demasiado estrecho. Aunque parezca que no hay mucha diferencia entre el 95% y el 99,5%, para purificar el producto dentro de este rango se necesitan muchas placas de destilación. Cualquier pequeño error puede afectar significativamente los valores calculados. 2. Datos de eficiencia de transferencia de masa: En las columnas de placa, se suele utilizar la eficiencia de la columna; también es posible emplear valores diferentes para la sección de destilación y para la sección de extracción. En las columnas con relleno, en cambio, se utiliza el HETP. Con las relaciones correctas de equilibrio de fases, a partir de los datos medidos sobre la composición del producto, la composición y el estado térmico de las materias primas, la cantidad de materia prima y de producto final, la relación de retroflujo y la presión de operación, así como la ubicación de las líneas laterales, la cantidad y composición de los productos extraídos (si los hay), se puede calcular mediante simulaciones el número real de placas teóricas en toda la columna (y en cada sección), lo que permite determinar la eficiencia de la columna (o de cada sección) o el HETP. En esta prueba, es conveniente utilizar un mayor coeficiente de recirculación, a fin de evitar problemas de puntos de atasco en la separación de los componentes clave, lo que podría llevar a resultados erróneos. En las pruebas con torres de llenado, es necesario prestar especial atención a la calidad de la distribución del líquido por parte del distribuidor. Al verificar los planos estructurales, se puede determinar la calidad de distribución del distribuidor de líquidos. En general, en las torres que funcionan correctamente y cumplen con los requisitos de diseño, la calidad de distribución del distribuidor de líquidos es adecuada. Si durante la operación se sospecha que existe algún problema con la calidad de distribución del distribuidor de líquidos, se pueden realizar pruebas en el sitio para confirmarlo. Para verificar rigurosamente si los datos de equilibrio y la eficiencia coinciden con las operaciones de producción, en las pruebas en campo se debe intentar medir la distribución de la temperatura a lo largo de la altura de la torre. Por supuesto, sería aún mejor poder medir también la distribución de la concentración a lo largo de esa misma altura. Al utilizar estos datos para compararlos con los resultados de los cálculos por simulación, y al analizar y ajustar repetidamente las relaciones entre ellos, se pueden obtener valores más realistas relacionados con el equilibrio de fases y la eficiencia. 3. Relación entre la entalpía en las fases gas-líquido. Sería ideal contar con datos de medición para verificarla, pero no hay muchos datos al respecto; por lo general, solo se pueden utilizar aquellas relaciones que son recomendadas de manera consistente en la literatura especializada. La precisión de la entalpía afecta principalmente la tasa de flujo de las fases líquida y gaseosa en la torre, así como la carga térmica del condensador y el reboiler. Si el error en la carga térmica es pequeño, los resultados obtenidos mediante simulaciones basadas en este valor son aceptables. 4. Relaciones entre algunas propiedades hidrodinámicas de las columnas de tanques o columnas de relleno. La más importante es la relación entre la velocidad de vaporización por inundación y la caída de presión. Primero, es necesario determinar la causa de la inundación, y luego elegir y verificar la ecuación que se vaya a utilizar. Kist dio un ejemplo de cómo el exceso de optimismo del proveedor de torres de llenado en cuanto a la relación entre el nivel del líquido y su funcionamiento, llevó a una subestimación de la tasa de ampliación que podría lograrse tras las modificaciones. Es muy importante conocer cuántos datos experimentales sirven de base para las relaciones descritas en la literatura, el rango de variación de las variables y los sistemas experimentales, a fin de elegir correctamente relaciones fiables. Es necesario elegir correctamente las diversas relaciones adecuadas, y utilizar el equipamiento de la fábrica así como los datos obtenidos de las pruebas necesarias para verificar esas relaciones. De esta manera, los resultados de los cálculos de simulación podrán reflejar con precisión la situación real dentro de la torre. Solo entonces será posible utilizar dichos cálculos como herramienta útil para determinar los factores que limitan la capacidad de procesamiento del equipo y para elaborar planes de mejora. Maneras de aumentar la capacidad de tratamiento de la torre ► Modificar los componentes internos del equipo de la torre. ►Modificar los procesos según las condiciones locales. ►Aumentar la presión de operación de la torre, además de reducir la relación de reflujo al añadir más placas de la torre, también puede contribuir a incrementar la producción. 1. Reforma de los componentes internos de la torre de destilación: (1) Se utilizan rellenos de tipo nuevo y más eficientes en lugar de los rellenos o placas de tipo antiguo. Los rellenos de tercera generación, así como los rellenos estructurados, presentan una menor caída de presión, mayor eficiencia (menor HETP) y un flujo mayor (menor FP). Al reemplazar los rellenos antiguos, la velocidad de vaporización del líquido en la torre aumenta directamente ； Además, el número teórico de placas en una capa de relleno de la misma altura aumentó, lo que permitió disminuir la relación de retroflujo operativo y, de forma indirecta, incrementar la cantidad de materia prima procesada y la producción. Cabe destacar que los distribuidores y redistribuidores de líquidos también deben ser modificados para adaptarse a las exigencias de los nuevos rellenos de alta eficiencia. Las columnas de relleno y las columnas de placas funcionan en condiciones óptimas, ya sea a presión reducida, a presión atmosférica o a baja presión; los rellenos estructurados ofrecen ventajas tanto en términos de eficiencia como de caudal ； Bajo condiciones de alta presión (>2 MPa), las ventajas mencionadas anteriormente de los rellenos estructurados desaparecen, mientras que los rellenos a granel de alto rendimiento presentan ciertas ventajas. En la renovación de la torre, al utilizar rellenos en lugar de placas de torre, el efecto de aumento de la producción será aún más significativo, ya que la caída de presión por cada placa teórica puede reducirse en casi un 90 %. Por lo general, la caída de presión en cada placa de la columna está entre 0,4 y 1,05 kPa. En el caso de la destilación por reducción de presión, este valor es ligeramente menor. La caída de presión en los rellenos sueltos como los anillos en forma de “S” metálicos puede llegar a 55 Pa por placa teórica, mientras que en los rellenos estructurados ese valor es de 13 Pa por placa teórica. Esta ventaja notable le confiere una clara superioridad en la renovación de columnas de destilación de alto vacío, ya que en este caso el cálculo del diámetro de la columna se determina por la caída de presión especificada; los rellenos con una caída de presión menor permiten utilizar velocidades de vapor más altas. Según las estimaciones de Strieger, con la misma caída de presión, el relleno en forma de anillo metálico permite una capacidad de tratamiento aproximadamente un 70% mayor que la de las torres de tipo placa. Además, al utilizar rellenos más estructurados, se puede lograr una capacidad de tratamiento aún mayor. La modificación de las columnas de destilación de estireno mediante el uso de rellenos eficientes es un ejemplo típico de cómo se pueden obtener grandes beneficios económicos. La Universidad de Tianjin logró modificar con éxito a más de una docena de estas columnas, utilizando rellenos estructurados en forma de ondas. Esta modificación no solo permite aumentar la producción, sino que también elimina prácticamente las pérdidas en la polimerización del estireno, gracias a la disminución de la temperatura en la parte inferior de la torre y de la temperatura promedio en toda la sección de destilación. Además, reduce la cantidad de líquido presente dentro de la torre (lo que acorta el tiempo de retención), lo que a su vez aumenta el rendimiento del estireno. En el caso de la destilación a presión atmosférica y a alta presión, las ventajas de las columnas llenas, como su baja resistencia y su menor capacidad de retención de líquido, ya no son importantes. No obstante, utilizar rellenos en lugar de columnas de placas sigue permitiendo lograr aumentos significativos en la producción. Aunque Brierley considera que las columnas de placa son más fiables a altas presiones (>2 MPa), debido a la experiencia acumulada en su uso exitoso a lo largo del tiempo, también reconoce que el uso de rellenos sueltos puede lograr resultados significativos a altas presiones. Además, en la mayoría de los casos en zonas de baja presión, los rellenos estructurados ofrecen una mayor capacidad de tratamiento y eficiencia en comparación con las torres de placas. Strieger cree que, en las torres de alta presión, reemplazar las placas de la torre por anillos metálicos en forma de “silla de montar” puede permitir un aumento en la producción del 25%. La razón principal es que, bajo alta presión, la torre de placas debe contar con una área considerable dedicada a la zona de desbordamiento, mientras que en la torre de lecho todo el espacio está disponible para la transferencia de masa entre las dos fases. En la torre de desmetanización a alta presión de la planta de 300.000 toneladas de etileno, se sustituyeron las válvulas flotantes que limitaban la producción por anillos metálicos en forma de herradura, lo que permitió aumentar la producción en aproximadamente un 20%. La utilización de rellenos estructurados en zonas de alta presión aún no es amplia; se debe tener cuidado al emplearlos. Existen ejemplos en la literatura de transformaciones exitosas utilizando columnas de desmetanización (presión de 3 MPa), columnas de despropanización (1,8 MPa), columnas de deetanización (2 MPa) y columnas C3/C4 (3,2 MPa). Estas transformaciones permiten un aumento en la producción del 20 % al 25 %. No obstante, la eficiencia de separación no es tan buena como en condiciones de baja presión, por lo que se requieren más estudios. Según la literatura, la empresa estadounidense Distillation Research Corporation realizó pruebas a escala industrial con el relleno estructurado Intalox 2T a una presión de 3,2 MPa. El sistema utilizado en las pruebas era isobutano-n-butano; sin embargo, no se obtuvieron resultados satisfactorios en cuanto a la eficiencia de separación y al flujo. Cuando se utiliza un relleno en lugar de las placas de la columna, es necesario eliminar los anillos de soporte que había en las placas originales. La anchura restante debe ser inferior a 12 mm; de lo contrario, se producirá una mala distribución del líquido a gran escala, lo que disminuirá la eficiencia de separación y también reducirá el caudal de la columna. Además, las interfaces de los materiales primos, las conexiones de vapor y las conexiones de los instrumentos para la medición de presión y temperatura también deben ser inspeccionadas cuidadosamente; a veces es necesario desplazarlas. Cabe señalar que lo que se discute ahora es la modificación de la torre para aumentar su capacidad de producción. Mediante la adaptación de sus componentes internos, se pueden satisfacer las necesidades de aumento de producción. Es más económico que construir un nuevo equipo; incluso si el costo de los componentes internos modificados es algo más alto, sigue siendo una opción viable. Esto es diferente al diseño para la construcción de nuevas plantas; en ningún caso, las columnas de llenado son siempre mejores que las columnas de placas. (2) Modificar las dimensiones de la estructura original de las placas de la torre, o bien utilizar placas nuevas con mayor eficiencia y capacidad de procesamiento. Por lo general, en el diseño inicial se aplica un factor de seguridad debido a diversos errores relacionados, lo que hace que el diseño sea más fiable. Esto también permite aumentar aún más la producción. Sin embargo, a menudo, debido a las limitaciones de algún factor en particular, es difícil lograr un aumento significativo en la producción sin realizar modificaciones adecuadas. Tras verificar las relaciones de la hidrodinámica de las placas de tanque con datos de medición, se puede lograr que los cálculos de rediseño sean realistas, identificar los factores limitantes y, posiblemente, alcanzar la estructura óptima. Kapus sugiere utilizar el diagrama de rendimiento de carga de las placas de separación para hacer la evaluación (Figura 7-1). Figura 7-1: Gráfico que indica si las dimensiones de la estructura de las placas de la torre están optimizadas. La Figura 7-lb muestra que se produce un desbordamiento prematuro del líquido en los conductos de descenso. Este problema puede resolverse ajustando la tasa de perforación de las placas, la altura del borde de desbordamiento, el espacio entre las placas o la distancia desde el fondo de los conductos de descenso hasta las placas ； La Figura 7-1c muestra que el diámetro del tubo de descenso es demasiado pequeño; esto provoca obstrucciones y limita la capacidad de procesamiento de la torre ； La Figura 7-ld muestra que la presencia excesiva de niebla o el arrastre de líquido limitan la capacidad de procesamiento de la torre; esto se puede resolver ajustando la distancia entre las placas, la altura del dique y el diámetro de los orificios, entre otros parámetros. Tras una modificación adecuada de las placas de tanque, es posible lograr un aumento significativo en la producción para satisfacer los requisitos. Considerando el sistema de separación específico, las condiciones de operación y la carga en las fases gaseosa y líquida, elegir placas de torre nuevas y especialmente adecuadas también constituye una forma de mejorar la eficiencia de las torres existentes. Las válvulas guía parecen poder reemplazar ampliamente a las placas de malla y a las placas de torre con válvulas flotantes, logrando así un aumento en la producción. 2. Proceso de modificación: Cuando la capacidad de separación y de tratamiento de la torre en estado inactivo no cumple con los requisitos, al combinarla con las torres de producción existentes, su capacidad de tratamiento aumenta significativamente. La Figura 7-2 muestra tres posibles combinaciones; se puede determinar la combinación más adecuada mediante la simulación del proceso. Figura 7-2: Combinación de torres inactivas y torres en funcionamiento. 1: Torre en funcionamiento ； 2- Torre ociosa: Cuando la separación de un producto se realiza mediante dos torres conectadas en serie, construidas sucesivamente, la torre que se utiliza para la etapa de destilación tiene claramente una mayor capacidad de procesamiento que la torre destinada a la etapa de extracción. Al mismo tiempo, el fenómeno de transbordamiento en la torre de extracción limita gravemente la capacidad total de procesamiento de toda la instalación. Para mejorar la capacidad de procesamiento de toda la torre, se puede añadir un reboiler intermedio en la parte inferior de la sección de destilación. De esta manera, parte de la carga de fase gaseosa y líquida de la sección de extracción se transfiere a la sección de destilación, lo que permite equilibrar las cargas en ambas secciones y así lograr un aumento en la producción. Desde el punto de vista del uso de energía, la cantidad de calor suministrada por el reboiler intermedio permite que se produzca la separación en la sección de destilación, pero su eficiencia es baja. Si la fábrica cuenta con fuentes de calor a bajas temperaturas disponibles, será posible lograr un uso racional y integral de la energía. Bajo la condición de que se permita un aumento en la altura de la torre, aumentar adecuadamente el número de placas de la torre (lo cual puede reducir el valor de R), ajustar la posición de la entrada de materia prima al lugar óptimo, y modificar las condiciones térmicas de la materia prima (ya que la etapa de destilación es clave para limitar la capacidad de procesamiento; en este caso, se puede optar por una alimentación en mezcla de fase gaseosa y líquida o bien una alimentación en fase gaseosa). Todas estas medidas pueden contribuir a mejorar la producción de manera adecuada. 3. Aumentar la presión de operación de la torre. La razón para utilizar un sistema de presurización es aumentar la temperatura del condensador en la parte superior de la torre, de modo que sea posible utilizar refrigeración por aire, por agua o con un refrigerante a una temperatura más alta ； La razón para utilizar un proceso de reducción de presión es disminuir la temperatura en la parte inferior de la torre, a fin de evitar que los materiales se sobrecalienten y se dañen, o que se produzca carbonización, polimerización, etc. También sirve para poder utilizar vapor de agua o un agente de calentamiento con una temperatura ligeramente más baja. Por lo tanto, siempre y cuando la temperatura del fondo de la torre no esté determinada por la deterioración de los materiales, su polimerización o la formación de coque, si es posible aumentar la presión en la torre, se trata de una cuestión de análisis económico. Si se puede lograr un aumento en la producción al aumentar la presión, lo cual a su vez permite ahorrar en las inversiones necesarias para construir nuevas instalaciones, esto suele ser económicamente atractivo. El aumento de la presión permite aumentar la producción, ya que, a medida que la presión aumenta, la densidad del vapor también aumenta de manera proporcional. Aunque la presión de elevación en la torre hará que la velocidad de vaporización del líquido disminuya ligeramente, el caudal de gas permitido en la torre aumentará significativamente. Si la relación de retorno se mantiene constante, entonces la producción de la torre o la cantidad de materia prima que se procesa aumentará de la misma manera. Pero, a medida que la presión aumenta exponencialmente, la volatilidad relativa disminuye ligeramente. Como resultado, el ratio de reflujo mínimo aumenta, y también lo hace el ratio de reflujo operativo. Esto compensa en parte los efectos del pG y del aumento en la producción. En general, la destilación a presión reducida y la destilación a presiones cercanas a la atmosférica son fáciles de adaptar para aumentar la producción mediante la aplicación de presión adicional. Esto se debe a que basta con incrementar ligeramente la presión absoluta para lograr un aumento exponencial en el valor pG, sin que surjan problemas relacionados con la resistencia estructural del equipo. En la destilación a alta presión, para que el valor de pG aumente exponencialmente, surgen problemas relacionados con la resistencia estructural del equipo. Además, es más difícil operar las columnas llenas a alta presión. Las columnas de placas también pueden presentar el problema de que los conductos de descenso de líquido sean demasiado pequeños. Este artículo proviene de Química 707. Se reproduce únicamente con fines de compartir información; los derechos de autor pertenecen al autor original