Es el método más antiguo para la selección de una secuencia de columnas simples. Se basa 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.
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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, como ya se ha dicho, 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 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.
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Regla que depende 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.
Regla que tiene en cuenta alteraciones en los cortes separados
Regla 7: Deben preferirse aquellas secuencias donde los productos de interés
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.
Debe advertirse que, al aplicar estas reglas en un problema particular, pueden obtenerse 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.
Se verá 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.
Compuesto A B C D E
Fracción Molar 0,05 0,15 0,25 0,20 0,35 Volatilidad relativa 7,98 3,99 3 1,25 1 Volatilidad relativa
(adyacente) 2 1,33 2,4 1,25 -
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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.
ABCDE A B C D E ABCDE A B C D E
Figura 4. Secuencia 3214 Figura 5. Secuencia directa
Biegler et al. han propuesto cierto orden de prioridad en las reglas. Para ellos, la regla 1 sería la más importante de las que se han enunciado, le seguiría la 5 (la 6 ocuparía el mismo lugar), luego la 2, la 4 y la 7, en ese orden. Si se tuviera en cuenta este criterio, debería empezarse por considerar un estudio más detallado del tren de la figura 5 y seguir, luego, por el de la 4.
Este simple ejemplo permite 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 a la simplicidad de lo anterior, permita soslayar sus contradicciones.
Para esto, se efectuará un análisis conceptual sobre la función objetivo que puede plantearse, costo total anual, CTA de aquí en adelante, para determinar cuales son las variables responsables del valor que toma la misma.
ABCDE A B C D E Figura 3. Secuencia 4213
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Una vez realizado ese análisis, debe plantearse alguna función de esas variables que permita estimar, al menos en forma semicuantitativa, las tendencias en el comportamiento del CTA.
Se comenzará, pues, por analizar las dependencias del costo total anual.