Perfilaje Gamma de Columnas de Fraccionamiento: Herramienta Preventiva de Excelencia

Resumen del artículo (Abstract).

Continuamente, personal de planta se enfrenta a problemas con sus columnas de fraccionamiento. De acuerdo al impacto  que puede tener cada problema en la operación de la planta es la priorización en cuanto a resolverlo. El problema puede ser operacional producido por un problema mecánico o mecánico producido por un problema operacional. Esto puede afectar el rendimiento, la calidad del producto, tiempo, mano de obra y finalmente se medirá en cuanto a la pérdida monetaria de producción.

Fig.1: Columna de fraccionamiento.
Fig.1: Columna de fraccionamiento.

La aplicación de tecnologías nucleares como el Gamma Scan en este tipo de equipos permite evaluar el perfil de densidades del comportamiento fluidodinámico de la columna, pudiendo, a través de este perfil, inferir el estado de internos de la columna, como bandejas, chimeneas, rellenos, demister pads, etc., sin detener la operación la misma, lo que permite planificar los recursos necesarios para una próxima detención y definir si es necesario detener y abrir esta columna o mantenerla operando aplicando algunos cambios operacionales, generando ahorros y alargando el tiempo de operación de la columna.

Objetivos (del estudio).

En general, el principal objetivo de la aplicación de esta tecnología es evaluar el estado actual de las columnas para tomar la decisión de realizar o no realizar mantención en ellas para la próxima detención de planta, y en caso positivo, contar con los recursos necesarios (repuestos y rrhh) con anticipación, mejorando la disponibilidad del equipo, utilizando la técnica de Gamma Scan.

El perfilaje gamma o “Gamma Scan”, permite evaluar el comportamiento fluidodinámico-operativo del sistema al interior de la torre, con lo que es posible inferir el estado de los internos como bandejas, demisters, rellenos u otras estructuras. A través del análisis de estos factores, se pueden identificar los motivos por los cuales la columna puede presentar problemas operativos degenerantes como inundación, presencia de espuma, lluvia, arrastre, etc.

Hemos realizado a la fecha, más de 160 inspecciones, tanto en refinerías de petróleo como en plantas químicas y de producción de pulpa de celulosa.

Antecedentes

Muchas veces, la investigación del problema puede involucrar a distintos departamentos de la planta, como ingeniería, mantención, producción así como asesores externos. Esta investigación, que puede llevar semanas para dilucidar el problema que está afectando a la columna en cuestión (con el consecuente costo asociado) y su efecto, puede abarcar a más de una unidad de producción.

Finalmente, si no es posible resolver el problema con todos los antecedentes recabados por el personal y los ajustes operativos necesarios, será imperioso detener la columna e inspeccionar su interior, lo cual puede impactar fuertemente en la producción, pérdidas que son fácilmente cuantificables.

Solo una vez abierta la columna (luego de purgar, limpiar, descontaminar, etc.), es posible evaluar la magnitud del problema, ya sea por una falla mecánica o suciedad de la unidad. Es posible que sea necesario solicitar repuestos, para lo que habrá que cerrar la columna para nuevamente abrirla cuando estos arriben a la planta, o peor aún, que la columna no tenga ningún problema evidente en su interior. Cualquiera sea el caso, implicará costos extra significativos, además de riesgos en la seguridad del personal.

Fig.2: Diagrama (simple) del proceso de Hydrocracking.
Fig.2: Diagrama (simple) del proceso de Hydrocracking.

Metodología empleada

El perfilaje gamma o “Gamma Scan”, es una poderosa herramienta de diagnóstico nuclear que hace uso de la propiedad que tiene la radiación gamma de alta energía de atravesar estructuras permitiendo “ver” en su interior el desplazamiento de materiales, sin detener la operación de la columna. Con la información que el Gamma Scan entrega, es posible determinar los motivos por los que la columna puede estar operando de manera deficiente y poder definir si es un tema operativo o mecánico y así optimizar tiempo y recursos. Por ejemplo, si el Gamma Scan indica que existen bandejas dañadas, el operador puede determinar cuándo es necesario detener la columna para reparaciones, sin necesidad de abrirla. Así, la columna se mantiene operando mientras se adquieren los repuestos, partes y piezas necesarias para esa detención planificada con anterioridad.

Fig.3: Perfiles patrones de un estudio de Gamma Scan.
Fig.3: Perfiles patrones de un estudio de Gamma Scan.

Esta técnica consiste en el desplazamiento de una fuente de radiación gamma y un detector apropiado por lados opuestos de una columna de destilación, reactor u otro tipo de estructura de modo de registrar la cantidad de radiación gamma que es capaz de atravesarla. Esa cantidad de radiación es inversamente proporcional a la densidad y cantidad de material que se ha interpuesto en su camino, obteniéndose finalmente un perfil de densidad de la columna que es empleado para evaluar tanto el estado de los internos de la columna como sus condiciones de operación. 

La técnica permite determinar: 

  • Posición de los internos
  • Bandejas normales o dañadas
  • Mala distribución en rellenos
  • Desmoronamiento de rellenos
  • Inundación, Arrastre, Lluvia o Espuma
  • Problemas con nivel de fondo
  • Problemas con temperatura
  • Diferencias entre condiciones operacionales.

Resultados

Como resultado, se obtienen perfiles de densidad relativa de los cuales se infiere el estado interno de la columna, permitiendo diagnosticar el proceso en particular. Con esta información, es posible planificar con anticipación la apertura de las columnas en una detención de planta con repuestos y recursos disponibles ya en el lugar de trabajo, con el consecuente ahorro de tiempo, producción y dinero.

En una oportunidad, se verificó que una de las columnas (Scrubber, Fig. 4) se mantenía operando con el tope empacado degradado o colapsado, lo que claramente afectaba su buen funcionamiento.

Fig.4: Empaque colapsado tope columna.
Fig.4: Empaque colapsado tope columna.

En el caso de una columna de Metanol (Fig. 5) esta se encontraba con varias de sus bandejas colapsadas, situación que explicaba bastantes problemas operativos aguas abajo, como el aumento de ingreso de otros componentes para obtener las concentraciones necesarias de metanol a la salida de la columna.

Fig.5: Columna de Metanol con Bandejas caídas.
Fig.5: Columna de Metanol con Bandejas caídas.

La figura N° 6 corresponde a una columna de vacío que se encuentra con canalización en cada uno de sus lechos, lo que afecta la calidad de sus productos.

Fig.6: Columna de Vacío con relleno gravemente canalizado.
Fig.6: Columna de Vacío con relleno gravemente canalizado.

Conclusiones

La continuidad operativa de cualquier  proceso de fraccionamiento o separación dependerá en gran manera del buen estado mecánico/operativo de las columnas que son parte de este. Si estas columnas fallan, la confiabilidad de su proceso productivo  y de productos fuera de especificación amenazará la continuidad operativa, en especial en plantas donde se necesitan distintas columnas para obtener un producto final, ya que la interrupción de un equipo, afectaría el rendimiento global.

Por lo anterior es muy útil realizar auditorías periódicas al funcionamiento y estado interno de estos equipos con tecnologías avanzadas y que permitan la confiabilidad y continuidad operacional.

Si esto puede hacerse con los equipos en servicio, se pueden definir los requerimientos de mantención con anterioridad a la Parada de planta, lo que es muy beneficioso en la panificación de los recursos técnicos y de repuestos de tal manera de asegurar una mantención efectiva y que de confiabilidad a las operaciones. 

Fig.7: Columna en buen estado.
Fig.7: Columna en buen estado.

El Gamma Scan responde a este tipo de tecnologías con una capacidad única: “ver” al interior de la columna, sin detener su operación, lo que permite tomar decisiones críticas en el menor tiempo posible.

Hemos extendido el uso de esta herramienta a plantas de producción de Pulpa de Celulosa. La continuidad operativa de una planta de este tipo dependerá de continuidad de la planta evaporadora y por consiguiente de la planta de celulosa completa, dado que si no se puede depurar el condensado entonces no puede ser consumido en otras áreas y tampoco puede ser descartado al efluente por el impacto ambiental que ello significa; por lo que habría que detener el proceso que lo genera, es decir, la misma planta evaporadora.

Fig.8: Efecto Evaporador con Thin Film con líquido condensado en su interior, planta de celulosa.
Fig.8: Efecto Evaporador con Thin Film con líquido condensado en su interior, planta de celulosa.

Si bien el uso más conocido del Perfilaje de Columnas (Gamma Scan) es en columnas de fraccionamiento de petróleo, su aplicación en plantas de Celulosa, especialmente en el área de evaporadores en las torres de depuración se ha convertido en una herramienta muy importante para la programación de las detenciones de planta, mejorando la asignación de recursos, aplicándose incluso a evaporadores tipo Thin Film, mejorando la eficiencia global de la planta.

Referencias:

  • [1] ISTRA: International Society for Tracer and Radiation Applications
  • [2] IAEA: International Atomic Energy Agency

Autor: Mauricio Vernal L.
Ingeniero/Operador Nivel 3 – ISTRA
Experto Internacional para IAEA
MSc Ingeniería Industrial (C)
Ingeniero Químico
CEO SI3 Ingeniería SpA
www.si3.cl

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