ES2226325T3 - Aparato de destilacion con una columnma y una bomba de calor. - Google Patents
Aparato de destilacion con una columnma y una bomba de calor.Info
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Abstract
LA INSTALACION DE DESTILACION COMPRENDE UNA COLUMNA (1) Y UNA BOMBA DE CALOR (4, 5) QUE SE ENCUENTRA ENTRE EL EVAPORADOR DE RESIDUO (3) Y EL CONDENSADOR DEL LIQUIDO (2) DE LA COLUMNA (2). LA BOMBA DE CALOR SE PUEDE SUSTITUIR SI ES NECESARIO POR DISPOSITIVOS (6, 7), QUE SE CONECTAN AL EVAPORADOR DE RESIDUO (3) Y AL CONDENSADOR DE LIQUIDO (2). ESTOS DISPOSITIVOS SUSTITUYENTES COMPRENDEN MECANISMOS (6 O 7) PARA FORMAR EL VAPOR O PARA PREPARAR UN REFRIGERANTE, ASI COMO MEDIOS DE CONEXION (63, 63 '' , 72, 72 '' ). LOS REFRIGERANTES PUEDEN SER LIQUIDOS (AGUA) O GASES (AIRE).
Description
Aparato de destilación con una columna y una
bomba de calor.
La invención se refiere a una instalación de
destilación con una columna y una bomba de calor según el preámbulo
de la reivindicación 1, así como a las aplicaciones de la
instalación.
En una columna de destilación se aporta calor a
un colector para generar vapor, mientras que en la cabeza de la
columna se evacua la correspondiente cantidad de calor para licuar
los vapores. La alimentación de calor al colector y la evacuación de
calor de la cabeza se acoplan convenientemente por medio de un
proceso de bomba de calor, mediante el cual se puede efectuar el
transporte del calor así como una conversión térmica (es decir,
aumento de la temperatura del calor transportado). En muchos
productos no se puede utilizar un procedimiento preferido, que es la
"condensación directa de los vapores", por motivos de
polimerización, descomposición, corrosión, escasa densidad de los
vapores, etc. En esos casos se destila de forma convencional sin
bomba de calor, o con una bomba de calor cuyo medio de trabajo sea
una sustancia independiente que circule por un circuito auxiliar
(véase A. Meili, Chemical Engineering Progress 86 (1990) Nº 6,
páginas 60-65). En este caso se efectúa la
aportación de calor y la evacuación de calor por medio de un
intercambio de calor indirecto en un evaporador de colector o en un
condensador de vapores. Como medio de trabajo de la bomba de calor
se pueden considerar diversas sustancias. Por razones termodinámicas
y gracias a su inocuidad para el medio ambiente resulta más
ventajosa el agua, en comparación con otras sustancias posibles y
por lo tanto debe preferirse.
Un inconveniente del empleo de las bombas de
calor es que una avería del compresor da lugar en la práctica a un
tiempo de parada largo de la instalación de destilación, ya que es
preciso comprimir con máquinas para las cuales, por lo general, no
se puede efectuar una sustitución rápida. El objetivo de la
invención es el de crear una instalación de destilación en la que
mediante una medida adecuada se suprima este inconveniente relativo
a la avería del compresor. Este objetivo se resuelve mediante una
instalación conforme a la reivindicación 1.
La instalación de destilación comprende una
columna y una bomba de calor que trabaja entre un evaporador de
colector y un condensador de vapores de la columna. La bomba de
calor se puede sustituir mediante sistemas que en caso de necesidad
se pueden conectar al evaporador del colector y al condensador de
vapores. Estos sistemas sustitutivos comprenden sistemas para la
generación de vapor o para el suministro de un refrigerante y los
medios de conexión necesarios. Los refrigerantes pueden ser líquidos
(agua) o gases (aire).
Las reivindicaciones dependientes 2 a 6 se
refieren a formas de realización ventajosas de la instalación de
destilación objeto de la invención. El objeto de las
reivindicaciones 7 a 10 es el empleo de esta instalación.
A continuación se describe la invención
sirviéndose de los dibujos. Las figuras muestran:
Fig. 1 una representación esquemática de una
primera instalación de destilación conforme a la invención, y
Fig. 2 la correspondiente representación de una
segunda instalación.
Los componentes de la instalación representada en
la figura 1 son:
- una columna 1 para realizar una destilación,
con un distribuidor 10 para un producto bruto F (es decir, la mezcla
de sustancias que se va a tratar), un colector 11, una cabeza de
columna 12 y los elementos instalados 110 y 120;
- un condensador de vapores 2 (condensador para
los vapores de cabeza) con colector 21 y haz tubular 200, cuyo
evaporador es una bomba de calor;
- una bomba 41 para la recirculación del medio de
trabajo condensado 40 de la bomba de calor citada, que se evapora en
el condensador de vapores 2;
- un evaporador de colector 3, con haz tubular
300, colector 11 de la columna 1 y bomba de recirculación 13, que es
el condensador de la bomba de calor;
- un compresor 4 y un órgano de estrangulamiento
5 de la bomba de calor;
- una instalación separadora 20 para la
eliminación de gases inertes y del exceso de calor, que se
corresponde en gran medida con la energía aportada al proceso por el
accionamiento del compresor;
- un depósito 14 para el producto de cabeza P'',
desde el cual se devuelve a la columna como retorno el producto
condensado P'', por medio de una bomba de recirculación 15 y una
tubería de retorno 16;
- además un sumidero de calor 7, es decir, un
sistema 7 para facilitar un refrigerante (en particular agua de
refrigeración o también aire) y una fuente de calor 6, es decir, un
sistema 6 para generar vapor (en particular vapor de agua).
Al producto bruto F, que ya puede estar
precalentado por medio de una aportación de calor en la instalación
separadora 20, se le aporta más calor en un intercambiador de calor
100, procedente de un producto de colector P' obtenido en el curso
de la destilación, antes de inyectarlo en la columna 1.
En el caso de producirse un fallo del compresor 4
se cierran sus tuberías de conexión mediante órganos de cierre (que
no están representados), se cierra también otro órgano de cierre 22
en el circuito evaporador del condensador de vapores 2 y al mismo
tiempo se conecta la fuente de calor 6 al evaporador de colector 3 a
través de los medios de conexión 63, 63', indicados de trazos y se
conecta el sumidero de calor 9 al condensador de vapores 2 a través
de los medios de conexión 72, 72'. De esta manera se puede continuar
ahora el funcionamiento de la columna de destilación durante la
avería del compresor 4, de forma convencional, mediante unas
operaciones de intercambio de calor no acopladas, concretamente con
los sistemas sustitutivos 6, 7 para la generación de vapor o para
facilitar un refrigerante, respectivamente.
Con la instalación según la figura 1 se puede
obtener, por ejemplo, estireno a partir de una mezcla que contenga
etilenbenzol, de ebullición más fácil y en cantidades menores,
toluol y benzol. El estireno de difícil ebullición se puede calentar
en el evaporador 3 mediante vapor de agua a 104ºC (presión 1170
mbar), de manera que se pueda evaporar en el colector 11 a una
temperatura de 100ºC. Los vapores que están en la cabeza 12 a una
temperatura de 82ºC se pueden licuar en el condensador 2 mediante
agua condensada a 77ºC (tensión de vapor 416 mbar). El compresor 4
ha de comprimir vapor de agua procedente del colector 21 del
condensador de vapores 2, de 416 a 1170 mbar.
Para la evacuación del exceso de calor en la
instalación separadora 20 resulta por lo general ventajoso prever un
radiador, conectado a una red de agua de refrigeración 7. En caso de
avería del compresor, esta red de agua de refrigeración se puede
utilizar, en el sentido de la invención, como sistema sustitutivo
para el suministro de refrigerante.
Es conveniente prever un sistema de mando (no
representado) mediante el cual se pueda efectuar la conmutación de
la bomba de calor a los sistemas sustitutivos, en cuanto se produzca
un fallo del compresor 4.
El sistema 6 para la generación de vapor es por
lo general una caldera que produce vapor, por ejemplo, a 6 ó 16 bar.
Por lo tanto es preciso disponer un órgano reductor de presión en el
medio de conexión 63' entre la caldera 6 y el evaporador del
colector 3. Existe la posibilidad de aprovechar ese órgano de
reducción de presión como parte del sistema 7 para suministro de
refrigerante, de manera que con este órgano se puede convertir la
exergía, que está disponible con el vapor, en un rendimiento de
refrigeración. Esto se ilustra a continuación sirviéndose de la
instalación de la figura 2, en la que el órgano reductor de presión
es un compresor de chorro de vapor 8.
En la figura 2, las conexiones 63, 63', 72, 72',
dibujadas de trazos, son medios de conexión mediante los cuales los
sistemas sustitutivos 6, 7 se pueden poner en comunicación activa
con la columna de destilación 1, a través de órganos de cierre no
representados (véase la figura 1). El sistema de refrigeración 7
comprende un prerrefrigerador 71 y un refrigerador principal 70.
Cuando se efectúa la sustitución de la bomba de calor 4, 5, el agua
de refrigeración que se había calentado en el condensador de vapores
2, se enfría algunos grados por evaporación, antes de que se siga
enfriando en el refrigerador 70 a la temperatura de entrada
necesaria para el condensador 2. El vapor cedido durante la
evaporación en el prerrefrigerador 71 se aspira a través de una
conducción 76 y del compresor auxiliar 8 realizado como compresor de
chorro de vapor. Si el vapor de impulsión (acometida 61) de la
caldera 6 tiene una presión de 16 bar, entonces, para el ejemplo
antes indicado (destilación de estireno), con el compresor auxiliar
8 se puede aspirar vapor a alta presión, que supone una proporción
de aproximadamente un 60% y correspondientemente un 40% de vapor a
baja presión (a unos 400 mbar), de manera que en la conducción 63
está disponible el 100% de vapor (1170 mbar) como fuente de calor
para el evaporador de colector 3. El agua condensada durante la
cesión de calor se devuelve a la caldera 6 a través de la conducción
63'. El exceso de condensado, que corresponde al vapor de baja
presión que se ha aspirado, se puede devolver al sistema de
refrigeración 7 a través de una conducción 67 (y concretamente al
radiador 70 tal como está representado, o aún mejor, al
prerrefrigerador 71).
El condensador de vapores 2 puede estar realizado
como aparato con haces tubulares, en cuyas superficies de los tubos
se condensan los vapores en forma de películas moleculares que
descienden por gravedad. En lugar de un condensador de haces
tubulares se puede emplear también un condensador de placas (un
aparato que contenga una pila de placas). Esto mismo se puede decir
para los demás intercambiadores de calor en los que tengan lugar las
conversiones de fase.
En la instalación de la figura 2 hay un
refrigerador 9 para la evacuación del exceso de calor, dispuesto en
paralelo con el condensador de vapores 2. El medio de refrigeración
puede ser aire o agua.
La instalación objeto de la invención se puede
emplear ventajosamente para la destilación de mezclas F de
sustancias orgánicas, formándose en este proceso de separación
vapores a una temperatura entre 40 y 120ºC, evaporando un producto
de colector a una temperatura entre 60 y 160ºC. El proceso de la
bomba de calor mediante el cual la condensación de los vapores está
acoplada a la evaporación del producto del colector se puede
realizar mediante un compresor 4, accionado por un motor eléctrico
M, un motor de gas, una turbina de vapor o una turbina de gas. Si se
emplea agua como medio de trabajo 40, se puede utilizar para el
compresor 4 un turbocompresor de una sola etapa, cuyo rodete esté
fabricado ventajosamente de titanio.
De acuerdo con el objetivo básico de la
invención, al producirse un fallo del compresor se conmuta desde
funcionamiento con la bomba de calor 4, 5 a funcionamiento con los
sistemas sustitutivos 6, 7.
Los sistemas sustitutivos 6, 7 también se pueden
emplear ventajosamente al iniciar la destilación, conectándolos
antes de la puesta en marcha del compresor 4 al evaporador de
colector 3 o al condensador de vapores 2.
Si se emplea la instalación según la figura 2 así
como con un compresor 4 de accionamiento eléctrico, el
funcionamiento alternativo con la bomba de calor o los sistemas
sustitutivos puede dar lugar a una optimización de los costes de
energía. Concretamente, por ejemplo, si durante el día los costes de
la energía eléctrica son considerablemente más altos que durante la
noche y los costes para la producción de vapor son relativamente
bajos las mayores necesidades de energía relacionadas con los
sistemas sustitutivos pueden dar lugar, en su conjunto, a unos
costes más bajos, debido a los costes elevados de la energía
eléctrica. Para ahorrar costes de energía el trabajo se puede
efectuar durante la noche con la bomba de calor 4, 5 y durante el
día con los sistemas sustitutivos 6, 7, 8.
Claims (10)
1. Instalación de destilación con una columna (1)
y una bomba de calor (4, 5) que trabaja entre un evaporador de
colector (3) y un condensador de vapores (2) de la columna y que
lleva un compresor mecánico para un medio de trabajo independiente,
caracterizada porque la función de la bomba de calor se puede
sustituir por sistemas (6, 7) que son componentes de la instalación
y que según las necesidades se pueden conectar al evaporador de
colector y al condensador de vapores y porque estos sistemas
sustitutivos incluyen los necesarios (6 ó 7) para la generación de
vapor del medio de trabajo o para suministrar un refrigerante, así
como los medios de conexión (63, 63', 72, 72').
2. Instalación de destilación según la
reivindicación 1, caracterizada porque como medio de trabajo
de la bomba de calor (4, 5) se emplea agua, que durante el
funcionamiento de la bomba de calor está sometida a conversiones de
fase.
3. Instalación de destilación según la
reivindicación 2 caracterizada porque está previsto un
refrigerador para la evacuación del exceso de calor, porque este
refrigerador (9) está conectado a una red de agua de refrigeración y
porque esta red de agua de refrigeración constituye el sistema (7)
para el suministro de agua de refrigeración.
4. Instalación de destilación según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por estar previsto un
sistema de mando mediante el cual se puede efectuar la conmutación
desde la bomba de calor (4, 5) a los sistemas sustitutivos (6,
7).
5. Instalación de destilación según una de las
reivindicaciones 2 ó 3, caracterizada porque la instalación
(6) para la generación de vapor es una caldera y porque hay un
órgano reductor de presión en el medio de conexión entre la caldera
y el evaporador del colector, donde el órgano reductor de presión
puede ser una parte del sistema para el suministro de refrigerante,
en particular un compresor de chorro de vapor (8) cuyo órgano
permite utilizar la energía que está disponible con el vapor.
6. Instalación de destilación según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el condensador
de vapores (2) está realizado como aparato con haces tubulares o
pilas de placas, en cuyas superficies se condensan los vapores en
forma de películas moleculares por gravedad.
7. Utilización de una instalación de destilación
según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque
se alimenta una mezcla (F) de sustancias orgánicas en forma líquida
a la columna (1), porque durante la separación por destilación se
forman vapores a una temperatura entre 40 y 120º y un producto de
colector a una temperatura entre 60 y 160º, porque se utiliza una
bomba de calor (4, 5) para la conversión térmica y el transporte de
calor, porque un compresor (4) de la bomba de calor es accionado por
un motor eléctrico (M), un motor de gas, una turbina de vapor o una
turbina de gas, siendo el compresor en particular un turbocompresor
de una sola etapa y empleándose agua como medio de trabajo (40).
8. Utilización de una instalación de destilación
según la reivindicación 7, caracterizada porque en caso de
fallo del compresor se conmuta desde funcionamiento con la bomba de
calor (4, 5) a funcionamiento con los sistemas sustitutivos (6,
7).
9. Utilización de una instalación de destilación
según la reivindicación 7 u 8, caracterizada porque los
sistemas sustitutivos (6, 7) se conectan durante el arranque de la
destilación al evaporador de colector (3) o al condensador de
vapores (2).
10. Utilización de una instalación de destilación
según una de las reivindicaciones 7, a 9 caracterizada porque
para optimizar los costes de energía está previsto alternar el
funcionamiento con la bomba de calor (4, 5) y el funcionamiento con
los sistemas sustitutivos (6, 7, 8).
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