Destilación Las columnas se encuentran entre las unidades de separación más utilizadas en las plantas químicas. La mayoría de los profesionales de los procesos químicos están familiarizados con su funcionamiento básico, pero el diagnóstico de anomalías como el desbordamiento, el reflujo de líquido, el arrastre severo y la sobrecarga hidráulica puede seguir resultando complicado.
Los operadores que no detecten los cambios correspondientes en la presión, la temperatura, el caudal y el nivel de líquido pueden reaccionar con demasiada lentitud o realizar ajustes que agraven el problema. Por lo tanto, comprender los mecanismos, los indicios de alerta y las medidas correctoras adecuadas es fundamental para garantizar un funcionamiento estable.
Inundación de la columna
¿Qué es una inundación?
Se produce una inundación cuando el líquido se acumula en el interior de una columna de destilación más rápido de lo que tarda en fluir hacia abajo a través de los platos, los conductos de bajada o el relleno.
En las columnas de bandeja, la inundación suele estar relacionada con dos mecanismos:
- Inundación por el conducto de bajada: El líquido y la espuma retroceden por el conducto de bajada y pueden llegar a la bandeja superior.
- Inundaciones por arrastre: Una velocidad excesiva del vapor arrastra grandes cantidades de gotitas de líquido hacia arriba, hasta la bandeja siguiente.
La condición de funcionamiento en la que comienza la inundación se denomina punto de inundación. Las columnas de destilación están diseñadas para funcionar por debajo de este límite con un margen de seguridad hidráulico adecuado.
A medida que una columna se acerca a la saturación, su caída de presión suele aumentar bruscamente, mientras que la eficiencia de la transferencia de masa disminuye. Si esta situación persiste, se interrumpe el contacto normal entre el vapor y el líquido y puede resultar imposible mantener un funcionamiento estable de la columna.
Inundación del conducto de bajada
El vapor ascendente encuentra resistencia al atravesar cada bandeja. Por lo tanto, la presión por debajo de una bandeja es mayor que la presión por encima de ella.
El líquido solo puede fluir hacia abajo por el conducto de bajada cuando la altura manométrica disponible es suficiente para superar:
- La diferencia de presión a través de la bandeja
- Pérdidas por fricción en el conducto de bajada
- La resistencia en la salida del tubo de bajada
- La altura del líquido por encima del vertedero de salida
Si el caudal de líquido se mantiene constante mientras que el de vapor aumenta, la caída de presión en la bandeja también aumenta. En ese caso, se requiere una mayor altura manométrica de líquido en el conducto de bajada, lo que provoca que suba el nivel de líquido.
Si el caudal de vapor es demasiado elevado, el líquido y la espuma pueden retroceder hasta la bandeja superior. El drenaje hacia abajo se ve obstaculizado, el líquido empieza a acumularse en las bandejas y, finalmente, la columna se inunda.
La inundación del conducto de bajada también puede producirse cuando el caudal de vapor se mantiene constante, pero aumenta el caudal de líquido. Una mayor carga de líquido aumenta tanto la resistencia a lo largo del conducto de bajada como la altura del líquido por encima del vertedero de salida.
Inundación por arrastre
A una velocidad elevada del vapor, las gotas de líquido son arrastradas hacia arriba junto con el vapor hasta la bandeja superior.
Este líquido arrastrado aumenta la carga líquida en la bandeja superior. A su vez, la mayor profundidad de la capa de espuma genera un mayor arrastre, lo que reduce aún más el espacio de separación entre la superficie de la espuma y la bandeja situada encima.
A medida que se desarrolla este proceso que se refuerza a sí mismo:
- Aumenta la contaminación por gotas
- Las gotas grandes pueden proyectarse directamente sobre la bandeja superior
- La espuma puede llegar a la bandeja de arriba
- Disminuye la eficiencia de las bandejas
- Aumenta la caída de presión en la columna
- Es posible que la columna acabe inundándose.
El arrastre excesivo es uno de los mecanismos más habituales que provocan la inundación de la bandeja de la columna.
Signos típicos de una inundación
Entre las indicaciones de uso más habituales se incluyen:
- Un aumento del diferencial de presión entre la parte inferior de la columna y la parte superior
- Una diferencia de temperatura cada vez menor entre la parte superior y la inferior de la columna
- Un nivel de líquido descendente en el depósito de reflujo
- Reducción del flujo de producto en la parte inferior
- Deterioro de la calidad del producto, tanto en la fracción superior como en la inferior
- Temperaturas y presión inestables en la bandeja
- Comportamiento anómalo del nivel de líquido
- Aumento de la carga del rehervidor sin que se produzca la mejora esperada en la separación
No hay ningún síntoma por sí solo que demuestre que se haya producido una inundación. El diagnóstico debe basarse en varias tendencias operativas relacionadas y, siempre que sea posible, compararse con los límites de diseño hidráulico de la columna.
Medidas correctivas
En función de la causa, las medidas adecuadas pueden incluir:
- Reducción de la carga del recalentador y del flujo ascendente de vapor
- Reducción de la tasa de reflujo
- Reducción de la velocidad de avance
- Comprobación del estado y del espacio libre de las salidas de los bajantes
- Comprobar que las bandejas, los vertederos y los conductos de bajada no presenten daños ni obstrucciones
- Comprobación de la presencia de espuma, incrustaciones, formación de polímeros o depósito de sólidos
- Verificación de la precisión de los instrumentos de presión, caudal, temperatura y nivel
Los operadores deben realizar ajustes controlados y observar la respuesta. Cambiar bruscamente varias variables a la vez puede dificultar la identificación de la causa subyacente.
Graves atascos de líquido e inundación de las columnas
En la terminología operativa china, yanta Se utiliza en ocasiones para describir una acumulación grave de líquido o una inundación en una parte de una columna. En la práctica internacional de la ingeniería, esta situación se considera generalmente como una forma avanzada de inundación o de atasco en el bajante, más que como un fenómeno hidráulico completamente distinto.
El líquido se va acumulando progresivamente por encima de una bandeja concreta y llena parte de la sección de la columna. El flujo ascendente de vapor se ve restringido y ya no es posible mantener la transferencia normal de calor y masa entre las fases de vapor y líquido.
Señales típicas de funcionamiento
Entre las posibles indicaciones se incluyen:
- Una disminución de la temperatura ambiente
- Un nivel descendente en el depósito de reflujo
- Aumento del nivel del líquido en el fondo
- Aumento de la presión en la parte inferior de la columna
- Aumento de la presión diferencial en la columna
- Baja calidad de los productos de la gama alta y de la gama baja
La respuesta exacta depende del proceso, la estrategia de control, la disposición del condensador, la composición de la alimentación y la ubicación de la restricción hidráulica.
Causas habituales
Conductos de bajada obstruidos
Los conductos de bajada pueden verse obstruidos por:
- Fragmentos metálicos o escoria de soldadura que hayan quedado tras las obras
- Productos de corrosión
- Sólidos cristalizados
- Depósitos de polímeros
- Coque o material de incrustación
- Componentes internos dañados o desplazados
Un conducto de bajada obstruido impide que el líquido de reflujo se drene con normalidad y puede provocar rápidamente un atasco de líquido por encima de la bandeja afectada.
Carga líquida excesiva
Un caudal de alimentación o de reflujo excesivo puede sobrepasar la capacidad de los conductos de bajada, incluso cuando estos se encuentren en buen estado mecánico.
El aumento de la carga de líquido eleva la altura por encima del vertedero de salida y la resistencia al flujo descendente, lo que acaba provocando que el líquido se acumule en las bandejas.
Medidas correctivas
Entre las posibles medidas se incluyen:
- Reducción de la velocidad de avance
- Reducción de la tasa de reflujo
- Reducir la carga de trabajo del rehervidor si la carga de vapor también es excesiva
- Comprobar si la anomalía es puntual o afecta a toda la columna
- Cerrar la columna para su inspección si se sospecha que hay una obstrucción interna o un fallo mecánico.
Cuando la causa es una obstrucción física o un daño interno, los ajustes de funcionamiento pueden ofrecer solo un alivio temporal. Es necesario inspeccionar y reparar el equipo.
Sobrecarga hidráulica grave y pérdida de fraccionamiento
El término chino chongta Se utiliza a menudo en casos de perturbaciones graves en la columna que implican cargas excesivas de vapor y líquido, arrastre repentino, arrastre de líquido o una pérdida importante de fraccionamiento.
Cuando tanto la carga de vapor como la de líquido son demasiado elevadas, la caída de presión en las bandejas aumenta y el nivel de líquido en los conductos de bajada se eleva. Al mismo tiempo, el aumento del caudal de líquido hace que aumente la altura del líquido por encima de los vertederos de salida.
Si los conductos descendentes se llenan por completo, las bandejas adyacentes pueden quedar conectadas hidráulicamente debido a la acumulación de líquido. En ese caso, el fraccionamiento normal por etapas se ve gravemente alterado.
Causas habituales
Cualquier circunstancia que genere un exceso de vapor o de flujo de líquidos puede contribuir a ello, entre ellas:
- Velocidad de avance excesiva
- Una composición de pienso que contiene más componentes ligeros de lo esperado
- Agua que entra en una alimentación de hidrocarburos
- Exceso de vapor de desprendimiento del fondo
- Carga excesiva del rehervidor
- Temperatura de alimentación excesivamente alta
- Interrupción del reflujo seguida de un reinicio brusco
- Distribución deficiente o desigual del reflujo
- Generación repentina de vapor
- Control inestable de la presión
- Formación de espuma o liberación rápida de gas
Señales típicas de funcionamiento
Entre los posibles síntomas se incluyen:
- Aumento de la temperatura ambiental
- Aumento de la presión atmosférica
- Aumento de las temperaturas de la corriente lateral
- Aumento de la temperatura de reflujo
- Cambios repentinos en el nivel del líquido en el fondo
- Pérdida de separación del producto
- Flujos secundarios que no cumplen las especificaciones
- Oscurecimiento o contaminación de los productos destilados
- Fluctuaciones importantes y rápidas en la presión diferencial de la columna
Estos indicios dependen de la columna concreta. Una caída rápida del nivel inferior puede indicar que el líquido se ha desplazado hacia arriba, pero el comportamiento del nivel siempre debe interpretarse junto con las mediciones de caudal y la validación de los instrumentos.
Principios correctivos
El objetivo principal es reducir las cargas de vapor y líquido:
- Reducir el flujo de reflujo cuando sea excesivo
- Reducir la carga del rehervidor o el vapor de fondo
- Reducir la velocidad de avance
- Estabilizar la composición y la temperatura del pienso
- Restablecer una distribución uniforme del reflujo
- Solucionar los problemas relacionados con el control de presión o con el condensador
En casos graves, puede ser necesario:
- Detener la transmisión
- Desactivar o reducir considerablemente la calefacción inferior
- Dejar que bajen las temperaturas de las bandejas y la presión diferencial
- Restablece la circulación de forma gradual
- Reiniciar la alimentación y el aporte de calor en condiciones controladas
Los procedimientos operativos aprobados de la planta, los enclavamientos y los requisitos de seguridad del proceso deben tener prioridad durante cualquier respuesta ante una situación de emergencia.
Diagnóstico de inundaciones a partir de datos operativos
Una columna estabilizadora que presente problemas hidráulicos puede mostrar las siguientes tendencias:
- La separación se deteriora y la pureza del fondo disminuye.
- Los operarios aumentan el vapor de calefacción, pero la temperatura de la bandeja sensible sigue estando por debajo de su valor objetivo habitual.
- Si la presión de la parte superior se mantiene sin cambios, el aumento del reflujo no restablece la temperatura prevista en la bandeja superior.
- La diferencia de temperatura entre la bandeja inferior, más sensible, y la bandeja superior se reduce considerablemente.
- Los componentes ligeros aumentan en la sección inferior, mientras que los componentes pesados aumentan en la sección superior.
- La presión diferencial en la columna aumenta, mientras que el nivel inferior sigue siendo controlable.
En conjunto, estas observaciones podrían indicar una inundación grave, más que una capacidad insuficiente del rehervidor o un reflujo insuficiente.
Si la situación implica una alteración hidráulica repentina y grave, el nivel del fondo puede variar rápidamente. Sin embargo, términos como «inundación», «anegamiento» y chongta no siempre se utiliza de forma uniforme en todas las plantas. Por lo tanto, el diagnóstico debería basarse en mecanismos físicos y datos de funcionamiento, en lugar de limitarse únicamente a las etiquetas.
Cómo las respuestas incorrectas de los operadores pueden agravar las inundaciones
En el caso de una columna que se haya diseñado correctamente y que haya funcionado con normalidad anteriormente, los problemas hidráulicos deben evaluarse en primer lugar en relación con los cambios recientes en el funcionamiento, siempre que la composición de la materia prima y el estado del equipo no hayan variado sustancialmente.
Una secuencia habitual es:
- La temperatura de la bandeja sensible desciende.
- El operador aumenta el vapor de fondo o la carga del recalentador.
- La temperatura en altura aumenta.
- El operador aumenta el reflujo.
- Tanto las cargas internas de vapor como las de líquido siguen aumentando.
- La columna supera su capacidad hidráulica y se desborda.
Cada ajuste por separado puede parecer razonable si se analiza de forma aislada. Sin embargo, en conjunto, pueden hacer que la columna se aleje aún más de su rango de funcionamiento previsto.
En el caso de una columna estabilizadora, tanto el caudal de reflujo como el vapor de calentamiento del fondo se situaban considerablemente por encima de sus valores normales. Incluso tras reducir los caudales, la columna no logró volver al equilibrio tras 16 horas.
Finalmente, la planta detuvo la alimentación, cortó el suministro de vapor de calentamiento y dejó que la columna se enfriara. A continuación, se reinició el sistema y se restableció el funcionamiento normal.
Esto ilustra un principio importante: una vez que una columna se ha inundado gravemente, es posible que el mero hecho de restablecer los puntos de consigna de control a sus valores anteriores no baste para restablecer de inmediato las condiciones hidráulicas normales. Puede ser necesario realizar un reinicio o una puesta en marcha controlada.
¿Por qué es necesario el reflujo en una columna de destilación?
Flujo del proceso de destilación continua.
El reflujo es un requisito fundamental para la rectificación.
Parte del vapor de cabeza condensado se devuelve a la columna, donde fluye hacia abajo y entra en contacto con el vapor ascendente. Mediante procesos repetidos de vaporización y condensación, los componentes ligeros se concentran hacia la parte superior, mientras que los componentes pesados se concentran hacia la parte inferior.
Las funciones principales del reflujo son las siguientes:
- Proporcionar líquido descendente para la transferencia de masa vapor-líquido
- Eliminar parte del calor que asciende a través de la columna
- Mantener el equilibrio térmico y de materiales interno
- Condensar los componentes más pesados del vapor ascendente
- Favorecer la vaporización de los componentes más ligeros del líquido que desciende
- Mejorar la pureza y la separación de los productos en la fase de vapor
El reflujo es esencial, pero un mayor reflujo no siempre es mejor. Un reflujo excesivo aumenta el flujo interno y puede provocar arrastre, una elevada caída de presión, inundaciones y un consumo energético innecesario.
El reflujo proporciona el líquido descendente necesario para la rectificación.
Reflujo natural y por bombeo
Los sistemas de reflujo pueden clasificarse según la forma en que el líquido vuelve a la columna.
Reflujo natural
En el reflujo natural, el condensador o el receptor de reflujo se instala por encima de la entrada de reflujo. El líquido condensado vuelve a la columna por gravedad.
El reflujo natural presenta varias ventajas:
- Esquema de flujo sencillo
- Sin bomba antirretorno
- Menor consumo eléctrico
- Menos requisitos de mantenimiento de los equipos rotativos
Entre sus limitaciones se encuentran:
- El caudal de reflujo puede variar en función de la presión de la columna y la altura estática disponible.
- Puede resultar más difícil controlar con precisión el índice de reflujo
- La respuesta ante las perturbaciones del proceso puede ser más lenta
- Los requisitos de altura de los equipos pueden incrementar el coste estructural
El reflujo natural suele considerarse para unidades o servicios relativamente pequeños en los que es aceptable un amplio rango de funcionamiento del reflujo.
Reflujo por bombeo
En el reflujo bombeado o forzado, el condensado entra en un tambor de reflujo y se devuelve a la columna mediante una bomba.
El reflujo bombeado ofrece:
- Caudal de reflujo estable y medible
- Ajuste más rápido ante perturbaciones
- Control preciso del caudal
- Control más sencillo de la relación o en cascada
- Mayor flexibilidad en la disposición
Entre sus limitaciones se encuentran:
- Potencia adicional de la bomba
- Más equipamiento y mantenimiento
- Otros posibles puntos de fuga
- Posible cavitación de la bomba o pérdida de caudal con líquidos volátiles de bajo punto de ebullición
Un NPSH (altura de succión positiva neta) adecuado, una presión adecuada en el tambor de reflujo, un subenfriamiento apropiado y un diseño fiable del sistema de control de la bomba son especialmente importantes para aplicaciones con puntos de ebullición bajos.
Reflujo interno y externo
Los términos reflujo interno y reflujo externo deben definirse con cuidado, ya que su uso puede variar de una planta a otra.
Reflujo interno
En su sentido termodinámico más amplio, el reflujo interno se refiere al flujo descendente de líquido en el interior de la columna. Este líquido incluye el reflujo devuelto desde el exterior y cualquier líquido producido por la condensación dentro de la columna.
En la terminología de los equipos, el reflujo interno también puede referirse a configuraciones en las que el vapor de salida se condensa parcial o totalmente en la parte superior de la columna y el condensado retorna directamente sin salir del conjunto superior.
Un condensador parcial puede condensar parte del vapor de cabeza y devolver el líquido directamente a la columna, mientras que el vapor restante se dirige a otro condensador o al sistema de producto.
También se puede instalar un condensador total directamente encima de la columna, con un receptor interno o un distribuidor de reflujo. Una parte del condensado se extrae como producto, mientras que el resto vuelve a la columna.
Entre las posibles ventajas se encuentran:
- Menos conexiones de tuberías externas
- Menor riesgo de fugas
- En algunas configuraciones no hay bomba de reflujo externa
- Instalación compacta
Entre las posibles limitaciones se incluyen:
- El flujo de reflujo puede resultar difícil de medir directamente
- El índice de reflujo puede ser menos preciso
- Los distribuidores o divisores internos pueden requerir un diseño a medida
- La inspección y el mantenimiento pueden resultar más difíciles
- El rango de ajuste puede ser limitado
En el caso de materiales peligrosos, altamente tóxicos o de alto punto de ebullición, puede resultar conveniente reducir el número de conexiones externas. No obstante, la decisión final requiere una evaluación de la seguridad del proceso y de la operatividad.
Reflujo externo
En el reflujo externo, el vapor superior se condensa fuera de la columna. El condensado suele entrar en un tambor de reflujo, tras lo cual una parte se extrae como producto y otra se devuelve a través de una tubería externa.
La línea de reflujo puede contener:
- Una bomba de reflujo
- Caudalímetro
- Válvula de control
- Mirilla
- Instrumentos de medición de temperatura y presión
- Control de relación o en cascada
El reflujo externo se utiliza ampliamente porque proporciona un caudal medible y ajustable de forma continua. Además, puede responder automáticamente a los cambios en la velocidad de alimentación, la composición, la presión o los requisitos de calidad del producto.
Entre sus desventajas se encuentran el equipo adicional, el consumo de energía, los requisitos de mantenimiento y los posibles puntos de fuga.
Elegir entre reflujo interno y externo
En la selección se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
- Precisión requerida en la medición del reflujo
- Rango de funcionamiento de la relación de reflujo
- Variabilidad de los piensos y de la composición
- Peligrosidad y toxicidad del fluido de proceso
- Riesgo de fugas
- Altura estática disponible
- NPSH de la bomba
- Disposición de las columnas y del condensador
- Acceso para mantenimiento
- Costes de capital y de explotación
- Requisitos del sistema de control
El reflujo externo suele ofrecer una mejor medición y control. Los sistemas internos o de retorno por gravedad pueden resultar interesantes cuando es más importante minimizar las fugas, la simplicidad o la manipulación de sustancias peligrosas.
Por ejemplo, algunos sistemas de destilación de fluoruro de hidrógeno utilizan reflujo interno para reducir la circulación externa y los posibles puntos de fuga. Es necesario evaluar la idoneidad de dicha configuración para el proceso concreto.
Reflujo caliente y frío
El reflujo también se puede clasificar según su temperatura.
Reflujo gástrico
El reflujo que vuelve aproximadamente a la temperatura en la que se forman las burbujas se denomina reflujo gástrico o reflujo de líquido saturado.
Dado que ya se encuentra casi en estado de saturación, basta con que se condense una cantidad relativamente pequeña de vapor ascendente para calentar el reflujo hasta su punto de ebullición.
Reflujo frío
El reflujo que vuelve a una temperatura inferior a su punto de burbuja se denomina reflujo frío o refluo subenfriado.
El reflujo subenfriado absorbe calor sensible tras entrar en la columna. Esto provoca que parte del vapor ascendente se condense, lo que aumenta el caudal de líquido interno por debajo de la entrada del reflujo.
Esto puede mejorar la condensación en la parte superior e influir en la separación sin aumentar el caudal de reflujo externo medido. Sin embargo, no genera bandejas físicas adicionales ni aumenta automáticamente el número de etapas teóricas.
Entre sus efectos reales se encuentran:
- Modificación del flujo interno de vapor y líquido
- Aumento de la capacidad de subenfriamiento del condensador
- Aumento del calor necesario en el rehervidor
- Influye en el perfil de temperatura de la columna superior
- Mejora potencial de la recuperación o la pureza del producto de la fracción de cabeza
- Aumenta el riesgo de sobrecarga hidráulica local si no se tiene en cuenta en el diseño.
En un sistema de condensador total, puede resultar conveniente utilizar un reflujo ligeramente subenfriado porque:
- La condensación total reduce las pérdidas por evaporación
- Mantener el condensado exactamente en el punto de burbuja puede resultar difícil
- Un subenfriamiento limitado contribuye a mantener unas condiciones estables de aspiración de la bomba de reflujo
Sin embargo, un subenfriamiento excesivo aumenta el consumo de energía y puede alterar el perfil de flujo interno previsto. La condición térmica del reflujo debe incluirse correctamente en la simulación del proceso y en los cálculos hidráulicos.
Reflujo total
Reflujo total Es la condición de funcionamiento en la que todo el líquido de cabeza condensado se devuelve a la columna y no se extrae ningún producto destilado.
En reflujo total:
- No se fabrica ningún producto de gastos generales
- Se maximiza la circulación interna de líquido y vapor para la entrada de calor dada
- La columna alcanza su máxima separación para un número fijo de etapas teóricas
- Se minimiza el número de etapas necesarias para una separación determinada.
El reflujo total se utiliza habitualmente durante la puesta en marcha para establecer los perfiles de temperatura y composición de la columna y ajustar el producto de cabeza a las especificaciones.
También puede utilizarse de forma temporal en caso de alteraciones en el proceso. Sin embargo, no se trata de un modo de producción habitual a largo plazo, ya que no se retira producto de la línea superior.
El reflujo total debe mantenerse dentro de la capacidad hidráulica de la columna. Un aporte excesivo de calor en condiciones de reflujo total puede generar suficiente flujo interno como para provocar arrastre o inundación.
Conclusión
Las inundaciones y las perturbaciones hidráulicas graves rara vez se resuelven aumentando tanto el reflujo como la potencia del rehervidor. Estas medidas pueden agravar el problema inicial al elevar las cargas de vapor y líquido por encima de la capacidad de diseño de la columna.
Un diagnóstico fiable debe evaluar:
- Presión diferencial en la columna
- Perfil de temperatura
- Velocidad de avance y condiciones
- Funcionamiento del reflujo y del recalentador
- Composición de las partes superiores e inferiores
- Niveles del tambor de reflujo y del fondo de la columna
- Rendimiento del condensador y del recalentador
- Estado del conducto de bajada o del relleno
- Formación de espuma, incrustaciones y sólidos
- Precisión de los instrumentos y respuesta de control
El reflujo es esencial para la destilación, pero su caudal, sus condiciones térmicas, su método de retorno y su estrategia de control deben ajustarse al diseño termodinámico e hidráulico de la columna.
Destilación estable Depende de encontrar el equilibrio adecuado entre el rendimiento de la separación, el tráfico interno, la caída de presión, la carga térmica, la capacidad de los equipos y la flexibilidad operativa, y no de maximizar una única variable operativa.
