CONCEPTOUnacolumna de fraccionamiento, tambin llamada columna de platos o columna de platillos, es un aparato que permite realizar unadestilacin fraccionada. Unadestilacin fraccionadaes una tcnica que permite realizar una serie completa dedestilaciones simplesen una sola operacin sencilla y continua. Ladestilacin fraccionadaes una operacin bsica en laindustria qumicay afines, y se utiliza fundamentalmente en la separacin de mezclas de componentes lquidos.

FUNDAMENTO TERICO

El fundamento terico del proceso consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a unvaporms rico que la mezcla en el componente ms voltil (destilacin simple). Elvaporpasa a la parte superior de la columna dondecondensa. Como latemperaturasigue aumentando, a su vez este condensado se calienta dando lugar a unvaporan ms rico en el componente ms voltil (ms ligero, de menorpunto de ebullicin), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilacin simple). De la misma forma el lquidocondensadode cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna, hacindose cada vez ms rico en el componente menos voltil.Esto tiene como consecuencia una serie completa deevaporacionesycondensacionesparciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. Estos ciclos deevaporacin-condensacinequivalen a mltiplesdestilaciones simples, por lo que ladestilacin fraccionadaes mucho ms eficiente que la simple, y permite separar inclusolquidosdepuntos de ebullicinparecidos.CLASESLa columna de fraccionamiento puede ser tanto un aparato de laboratorio como una instalacin industrial propia de la ingeniera qumica o ingeniera de gas, pero en ambos casos existe en la parte inferior un aparato que calienta la mezcla y en la parte superior un condensador.En el caso de un aparato de laboratorio normalmente la columna es de vidrio y est rellena de un material que asegure el mximo contacto entre lafaselquida y lafasede vapor, como bolitas de vidrio, trozos de tubo de vidrio o similares.En el caso de una instalacin industrial la columna est formada por una serie de platos, cada uno de ellos atravesado por un tubo que permite el ascenso delvapordesde el plato inferior, pero rematado por una cazoleta invertida que obliga al vapor a borbotear sobre ellquidocontenido en el plato. As se asegura el contacto entre ellquidocondensado en el plato y elvaporque hahervidoen el plato inferior. Aqu todos los componentes son habitualmente metlicos.DISEOEl nmero de etapas o de platos necesario para una determinada separacin se puede calcular tericamente, ya que no es ms que la combinacin de una serie de destilaciones simples. En la prctica el nmero de platos reales necesarios es siempre superior al de platos tericos calculados.De la misma manera en funcin del resultado buscado se disean el dimetro de la columna, el tipo de relleno o de platos, vasos etc.La eficiencia de la separacin depende de mltiples factores como la diferencia de puntos de ebullicin de los componentes de la mezcla, la presin a la que se trabaje y otros parmetros fisicoqumicos de los componentes.El diseo detallado de una torre de platos tiene que tomar en cuenta los elementos estructurales que permitan soportar fsicamente los internos que se coloquen dentro de la torre para que sta conserve su integridad y para que los elementos mismos mantengan su colocacin en la posicin adecuada dentro de las exigencias de las diferentes condiciones de operacin. Estos elementos estructurales deben conocerse por el ingeniero de procesos, para que desarrolle una apreciacin del impacto que su presencia puede tener en el patrn de flujo dentro de la torre y comprender a mayor profundidad el funcionamiento de estos equipos. Un elemento clave dentro del diseo estructural de los internos de torres de platos lo constituye el diseo del soporte de los platos. El mtodo para soportar los platos lo fija el fabricante durante el diseo de detalle. Los soportes deben cumplir o exceder las normas mnimas. El nmero y tamao de cada soporte depende de varios factores, incluyendo el dimetro de la torre, la carga a soportar y la necesidad de acceso para mantenimiento. Anillos de soporte Para dimetros de torres de procesamiento hasta 3000 mm (10 pie) aproximadamente, el anillo de soporte del plato y las vigas menores proporcionan todo el soporte requerido. El ancho del anillo de soporte requerido est generalmente entre 50 y 75 mm (2 y 3 pulg), y se incrementa a medida que el dimetro de la torre aumenta.

ArmadurasPara dimetros de torres mayores de 3000 mm (10 pies), adems de las armaduras menores y anillos de soporte, normalmente se requieren armaduras mayores. Para dimetros de torre hasta 6000 mm (20 pies) stas comnmente son del tipo I o de canales. Donde el dimetro de la torres es mayor a 6000 mm (20 pies) aproximadamente, normalmente se usan armaduras de enrejado para cada juego de armaduras de soporte de dos o tres platos. Se deja suficiente rea abierta en las armaduras de enrejado para asegurar una buena distribucin de vapor y para proporcionar acceso a las secciones del plato a ambos lados de la armadura. Para evitar una pobre distribucin de lquido y vapor en el plato, las armaduras deben ser instaladas paralelas a la direccin del flujo de lquido (a no ser que sean parte del bajante(s) interno de platos de paso mltiple).

APLICACINLa principal aplicacin en el laboratorio es la separacin de sustancias de puntos de ebullicin prximos. Y el principal uso industrial, con mucha mayor importancia que cualquier otro, es la destilacin fraccionada del petrleo o del gas natural. En el caso de este ltimo, se utiliza para separar o fraccionar componentes propios de dicho gas como el metano, etano, butano, entre otros, con la finalidad de obtener dicho componente libre de otros con los que normalmente viene acompaado.

MTODOS DE FRACCIONAMIENTO- Destilacin simpleEl aparato utilizado para la destilacin en el laboratorio es el alambique. Consta de un recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador donde se enfran los vapores generados, llevndolos de nuevo al estado lquido y un recipiente donde se almacena el lquido concentrado.En la industria qumica se utiliza la destilacin para la separacin de mezclas simples o complejas.

- Destilacin fraccionadaLa destilacin fraccionada es un proceso fsico utilizado en qumica para separar mezclas (generalmente homogneas) de lquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calrico y msico entre vapores y lquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullicin distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos ms comunes son el petrleo, y la produccin de etanol.

La principal diferencia que tiene con la destilacin simple es el uso de una columna de fraccionamiento. sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el lquido condensado que desciende, por la utilizacin de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los lquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los lquidos con menor punto de ebullicin se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullicin pasan al estado lquido.La mezcla se pone en el aparato de destilacin, que suele consistir en un matraz (u otro recipiente en general esfrico), en cuya parte inferior hay unas piedrecillas que impiden que el lquido hierva demasiado rpido. En la boca del recipiente, en la parte superior, hay una columna de fraccionamiento, consistente en un tubo grueso, con unas placas de vidrio en posicin horizontal. Mientras la mezcla hierve, el vapor producido asciende por la columna, se va condensando en las sucesivas placas de vidrio y vuelve a caer hacia el lquido, produciendo un reflujo destilado. La columna se calienta desde abajo y, por tanto, la placa de vidrio ms caliente est en la parte inferior, y la ms fra en la superior. En condiciones estables, el vapor y el lquido de cada placa de vidrio estn en equilibrio y, solamente los vapores ms voltiles llegan a la parte superior en estado gaseoso. Este vapor pasa al condensador, que lo enfra y lo dirige hacia otro recipiente, donde se lica de nuevo. Se consigue un destilado ms puro cunto ms placas de vidrio haya en la columna. La parte condensada en la placa ms cercana al azetropo contiene gradualmente menos etanol y ms agua, hasta que todo el etanol queda separado de la mezcla inicial. Este punto se puede reconocer mediante el termmetro ya que la temperatura se elevar bruscamente.

ENTRADAS EN LA TORRE DE FRACCIONAMIENTOEntradas intermedias y de reflujo en torres de destilacin con platos La principal consideracin para introducir el reflujo o una corriente intermedia en una torre de destilacin es la de lograr la hidrulica adecuada en la zona de entrada. Una hidrulica defectuosa puede causar inundacin prematura, arrastre excesivo y dao mecnico a los internos. Tambin resulta de importancia dividir la corriente de entrada de manera adecuada para lograr buena distribucin de la corriente que alimenta el plato, especialmente en platos de pasos mltiples.AREGLOS PARA LA ALIMENTACIN DE LA PLATO SUPERIOR Y ENTRADAS DE REFLUJOLos arreglos tpicos de entrada de alimentacin del plato superior y del reflujo con sus correspondientes restricciones dimensionales se muestran en la Figura y la Tabla, respectivamente.

Las tuberas internas deben ser desarmables para facilitar el mantenimiento. Todos estos arreglos, a hasta h, son adecuados para entradas de lquidos. Si la entrada est parcialmente vaporizada solo sirven los arreglos b, d, e y h.Los arreglos a, b, c, e, y f, normalmente se prefieren por razones de costo. Los arreglos d y h normalmente se prefieren cuando hay una ventaja notable en orientar la boquilla de entrada de modo no paralelo al flujo de lquido que llega al interior de la torre. Esto puede ocurrir en alimentaciones que entran con velocidad alta, que se disminuye con el cambio de direccin y el aumento de rea de flujo que se obtiene al contactar la torre. Tambin puede utilizarse cuando las limitaciones de espacio obligan a introducir la tubera de entrada a la torre desde el mismo lado que el bajante del plato de entrada. Los arreglos a, d, h, y en menor grado el arreglo g tienen la desventaja de inducir lloriqueo (weeping) en las perforaciones o vlvulas de entrada del plato de entrada debido al salto hidrulico sobre el rebosadero de entrada (aumenta la columna de lquido en esta zona del plato y genera componente de velocidad vertical hacia abajo). El arreglo b, llamado comnmente bajante falso (false downcomer) es bastante popular,ya que es de bajo costo, puede manejar cargas parcialmente vaporizadas, ofrece mejor distribucin de lquido, no tiene salto hidrulico y permite cierta flexibilidad en la orientacin de la boquilla de entrada. El ancho del bajante falso debe ser igual que el ancho que tiene en el fondo el bajante real. Se recomienda que la suma de las dimensiones x + y sea de 12 pulgadas (304.8 mm) para alimentacin de bajantes centrados o descentrados. Si se considera que existe el riesgo de arrastre del lquido que salpique del falso bajante, se puede colocar un deflector horizontal con dimensiones 2dn por wd directamente sobre la entrada de la boquilla hacia el bajante falso. Este deflector se coloca a cierta distancia sobre el bajante falso. Normalmente no se requiere este deflector. El arreglo es tambin es popular, es de bajo costo, puede manejar cargas parcialmente vaporizadas no tiene salto hidrulico y minimiza el salpicado en la entrada. Es abierto en el fondo y en los dos lados. LINEAMIENTOS GENERALES PARA ENTRADAS DE REFLUJO, PLATO SUPERIOR Y ALIMENTACIONES INTERMEDIAS Las tuberas internas deben ser removibles. Conviene colocar las tuberas de gran dimetro para alimentacin de lquidos bajo las cerchas del plato inmediato superior. Las tuberas internas deben soportarse cerca de la boquilla de entrada, para que la boquilla no realice la funcin de soporte. Cuando la alimentacin contiene vapores, deben reforzarse el plato y los deflectores y anclarse la tubera de entrada al cuerpo de la torre, para que puedan soportar los esfuerzos estructurales que genera este tipo de corriente bifsica. Cuando la alimentacin contiene vapores o las tuberas de entrada son de gran dimetro, el espaciamiento entre los platos debe aumentarse entre 6 y 12 pulgadas (152.4 mm y 304.8 mm) en la zona de entrada. Esto es especialmente importante en platos donde el trfico de flujos es grande. Las boquillas de entrada deben generar una cada de presin inferior a la del plato inmediato superior.Para alimentaciones lquidas, la velocidad de entrada no debe ser superior a los 3 pies por segundo (0.9144 m/s), para garantizar la ruptura del chorro al entrar a la columnaSECCIONES DE FONDO Las principales consideraciones a tomar en cuenta para las entradas de la seccin de fondo de la columna son, en primer lugar lograr la separacin de fases requerida y, en segundo lugar establecer la hidrulica correcta. De no ser as, puede afectarse severamente el funcionamiento del equipo e incluso daarse sus internos.ALIMENTACIONES DE FONDO Y RETORNOS DE REHERVIDORESLas alimentaciones de fondo y los retornos de rehervidores no deben quedar sumergidos en el lquido de fondo de la torre, excepto cuando se emplean aspersores (spargers) diseados especialmente para tal propsito. De no hacerse esto, se puede causar excesivo arrastre, inundacin prematura de la torre o dao mecnico a los internos. Tampoco deben colocarse a menos de 12 pulgadas (304.8 mm) del mximo nivel de lquido en el fondo ni entrando en ngulo descendente para no generar turbulencia que cause arrastre y problemas de control de nivel.Las lneas de alimentacin de fondo y de los retornos de rehervidores deben dimensionarse correctamente para evitar inundacin por falta de capacidad o velocidades excesivas que pueden causar vibracin en el plato y aflojarlo. Se recomienda colocar una placa de impacto en caso de no poderse evitar el impacto de la corriente de entrada con la pared de la torre, tal como puede suceder en torres de pequeo dimetro. Deben evitarse las entradas que promuevan velocidades tangenciales en el fondo de la torre, ya que pueden producir vrtices en el lquido de fondo.ASPERSORES DE VAPOR (SPARGERS) Los aspersores de vapor son tuberas perforadas que permiten introducir una corriente de vapor bajo la superficie del lquido de fondo en forma de burbujas, evitando la formacin de tapones o pistones de lquido (slugs). Tambin pueden utilizarse para introducir la alimentacin de fondo en la zona de vapor que queda sobre el nivel del lquido de fondo de la torre. En el caso de los aspersores sumergidos se debe monitorizar el nivel de lquido y eliminar cualquier interferencia del burbujeo con los instrumentos de medicin y control de la torre.

RETIRO EN LA TORRE DE FRACCIONAMIENTORETIROS DE LQUIDO (DIFERENTE A LOS DE LOS REHERVIDORES) Parte del lquido que cae en la torre puede retirarse como un producto lateral o recirculacin hacia un plato superior (pumparound) o hacia un plato inferior (pumpback). La relacin entre un retiro parcial y total depende normalmente de los efectos anticipados del control de la torre y de la estabilidad del flujo del reflujo interno. Como una regla general, el flujo de retiro parcial no debe exceder del 60% de la suma del reflujo interno ms el producto en el plato de retiro. El lquido del circuito de reflujo que se bombea bajo control de flujo a travs de intercambiadores de calor y luego directamente a la seccin del circuito no debe incluirse en la frmula anterior. El retiro puede ser desde un bajante o un plato de chimenea extendido en toda la seccin de la torre. Para minimizar la inversin, el colector de retiro normalmente forma parte del bajante, a no ser que se requiera un rea transversal excesiva para la carga de retiro.ELEMENTOS ESPECIALES EN TORRES DE PLATOS Rejilla metlica tipo malla para evitar arrastre En algunas torres, el arrastre de lquido puede causar una grave contaminacin y degradacin del producto. Para evitar este problema, se instala una rejilla metlica tipo malla para proveer superficie sobre la cual pueda coalescer el lquido arrastrado. Estas rejillas deben ser diseadas cuidadosamente. Si la velocidad sobre la rejilla es muy baja, no ocurrir mxima coalescencia. Si la velocidad es muy alta, el lquido coalescido ser arrastrado desde la rejilla. La formacin de coque en la rejilla puede ser tambin un problema, dependiendo de la temperatura, tipo de rejilla, retencin y calidad de la alimentacin. Cada torre debe ser considerada individualmente, y debe tomarse en cuenta la experiencia pasada o similar.Deflectores de salpicado o de campana Para servicios de baja carga de lquido, en el orden de 0.1 galones por minuto por pulgada del vertedero (1.49 dm3/min.cm), se recomienda colocar deflectores de salpicado o de campana tal como se muestra en la Figura 15. Con estos deflectores se aumenta la retencin de lquido en el plato y la altura de la espuma (froth) previniendo el secado del plato. En columnas de pequeo dimetro, menor de 6 pies (152.5 mm), evita que las gotas que se forman en la entrada de lquido al plato vuelen directamente hacia el bajante. Para estas aplicaciones el plato debe sellarse a prueba de fugas

Deflectores anti salto En los platos de pasos mltiples donde exista riesgo de que pase lquido de un paso a otro por la velocidad horizontal del lquido que sale hacia el bajante, se colocan deflectores anti salto, ver Figura 16 que evitan que esto ocurra, de no hacerse esto, se puede acumular localmente una cantidad de lquido en el pase que recibe el flujo adicional que puede causar inundacin prematura.

Bandejas de sello con bajorrelieve En aplicaciones en las que se requiere evitar problemas de sello en los bajantes se pueden utilizar bandejas de sello con bajorrelieve, en todos los casos, o vertederos de entrada, solamente para aplicaciones de muy baja carga de lquido.