Sintesis de columnas de destilacion

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2. Estrategias heurísticas de estructuración

Es el método más antiguo para la selección de una secuencia de columnas simples. Se basan en consideraciones de sentido común o con fundamentos técnicos sobre aspectos relevantes de la operación. Resulta ser la vía más simple para abordar el problema de estructuración, si bien no se puede garantizar una solución óptima o evitar que, por la aplicación de las distintas reglas, se produzcan situaciones contradictorias.

Algunas reglas, de las muchas propuestas, son:

Reglas que dependen de la alimentación:

Regla 1: Se deben separar los componentes corrosivos o peligrosos tan pronto como sea posible.

Esta regla ha sido planteada y justificada en la introducción a este capítulo.

Regla 2: Debe separarse lo más pronto posible el compuesto más abundante en la alimentación.

La razón de esta regla radica en que todas las columnas, donde este compuesto esté presente, han de requerir un diámetro y un gasto de energía más grande para la circulación, la condensación y la evaporación de un mayor caudal en la torre.

Regla 3: Debe favorecerse, en cada columna, la separación entre tope y fondo lo más equimolar posible.

Aquí se pretende, fundamentalmente, distribuir, balanceados, los requerimientos energéticos en tope y fondo, a lo largo de todo el tren. Esta heurística privilegia los ítems, equipos y servicios, vinculados a los intercambios térmicos.

Reglas que dependen de las volatilidades relativas:

Regla 4: En el tope de cada columna debe separarse el compuesto más liviano presente en la alimentación (secuencia directa).

En esta regla se privilegian los costos asociados a la condensación en el tope, tanto en equipos como en servicios.

Regla 5: Las separaciones entre compuestos con volatilidades relativas cercanas a la unidad deben realizarse sin la presencia del resto de los componentes.

Al decir volatilidades relativas cercanas a la unidad se está poniendo de manifiesto la dificultad para separar esos compuestos, lo que demandará un significativo número de etapas en equilibrio. Al hacerlo en un equipo donde sólo ingresan esos compuestos se logra reducir al menos el diámetro de la columna.

Reglas que dependen de las especificaciones del problema:

Regla 6: Las separaciones que exigen una alta recuperación deben realizarse en ausencia de componentes no claves.

Esta regla tiene la misma justificación que la anterior, salvo que, en este caso, la dificultad no proviene de la naturaleza de los compuestos a separar sino de la especificación técnica que se ha planteado.

Reglas que tienen en cuenta alteraciones de los cortes separados

Regla 7: Deben preferirse aquellas secuencias donde los productos se separan en la corriente de tope.

La justificación de esto es doble. Por una parte, en las mezclas suelen encontrarse presentes impurezas, las que, generalmente, tienen una baja volatilidad, por lo que tienden a salir con la corriente de fondo. Por otra, en el reboiler está el punto más caliente de la columna, con la posibilidad de que allí se produzcan alteraciones en los productos deseados.

Advirtamos que al aplicar estas reglas en un problema particular, podemos obtener resultados contradictorios. Por ejemplo, el hecho de separar un producto corrosivo primero puede resultar que sea la separación más dificultosa, con lo cual el cumplimiento de la regla 1 impediría cumplir con la 5.

Veamos este problema de conflictos en la aplicación de las reglas 2 a 5 a las secuencias mostradas en las figuras 3, 4 y 5, donde se separan los compuestos de la mezcla ABCDE, cuyas fracciones molares y volatilidades relativas se muestran en la tabla 2.

Tabla 2:

Compuesto

A

B

C

D

E

Fracción Molar

0,05

0,15

0,25

0,20

0,35

Volat. relativa

7,98

3,99

3

1,25

1

Volat. Relat.(ady.)

2

1,33

2,4

1,25

-

En la secuencia de la figura 3 se cumple la regla 2 pero claramente se violenta la 5. En la secuencia de la figura 4 se cumplen las reglas 3 y 5, considerando que en la columna donde se separa B de C la presencia de A no resulta determinante. Aquí no se cumple la 2 y, obviamente, ni en esta ni en la anterior se verifica la secuencia directa, que es el esquema que se muestra en la figura 5. Allí, además, para el problema planteado, se cumple, sólo en la última columna, la regla 5.[pic 4]

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

Biegler et al. han propuesto cierto orden de prioridad en las reglas. Para ellos, la regla 1 sería la más importante de las que hemos enunciado, le seguiría la 5 (sería equivalente la 6), luego la 2, la 4 y la 7, en ese orden. Si tuviéramos en cuenta este criterio, deberíamos empezar por considerar un estudio más detallado del tren de de figura 5 y seguir, luego, por el de la 4.

Este simple ejemplo nos ha permitido comprender las dificultades inherentes a la estrategia heurística clásica para estructurar trenes de columnas de destilación. Es preciso encontrar una vía alternativa, que sin renunciar