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Telf:022-544631 / 022-904794
http://www.iquce.edu.ec Calle Bolivia, Quito 170129
Realizado por:
Jorge Corella
Sebastián de la Torre
Javier Quintuña
Primera revisión, 2018
De este manual: © Universidad Central del Ecuador, 2018
Fotocomposición: © Facultad de Ingeniería Química
Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 2
2. SEGURIDAD ........................................................................................................................ 2
2.2. Indicaciones de Seguridad ................................................................................................. 2
3. CAPACIDADES EXPERIMENTALES ............................................................................. 2
4. Descripción del Equipo ......................................................................................................... 3
5. Especificación ........................................................................................................................ 3
6. Descripción ............................................................................................................................ 3
7. Vista General ........................................................................................................................ 4
8. Especificaciones del equipo .................................................................................................. 5
9. Instrumentación .................................................................................................................... 5
10. Requisitos de servicios ...................................................................................................... 5
11. Manual de operación ........................................................................................................ 6
11.1. Purga: ............................................................................................................................... 6
11.2. Pasos para ingresar la alimentación. .............................................................................. 6
11.3 Ingreso del Vapor ............................................................................................................. 7
11.4. Ingreso del refrigerante ................................................................................................... 8
11.5. Pasos para la obtención de destilado. ............................................................................. 9
11.6 Toma de muestra .............................................................................................................. 9
11.7. Apagado del equipo ....................................................................................................... 10
12. FUNDAMENTOS ........................................................................................................... 12
12.1 DESTILACIÓN BINARIA ................................................................................................ 12
12.2. Consideraciones de Equilibrio ...................................................................................... 12
12.2.1 Regla de las Fases. - ................................................................................................. 12
12.3 Diagramas de Equilibrio líquido- vapor ....................................................................... 12
12.3.1 Ley de Dalton: .......................................................................................................... 15
12.3.2 Ley de Raoult: .......................................................................................................... 15
12.3.4 Ecuaciones de Antoine: ............................................................................................ 16
12.3.5 Clausius: ................................................................................................................... 16
12.4 Volatilidad Relativa: ....................................................................................................... 16
12.5 Presiones crecientes y de Equilibrio: ............................................................................. 17
12.6 Métodos de Destilación: .................................................................................................. 17
12.7 Destilación de Equilibrio: ............................................................................................... 18
12.8 Destilación de Equilibrio o flash: ................................................................................... 18
12.9 Destilación Diferencial: .................................................................................................. 19
12.10 Destilación Continua en Rectificación:........................................................................ 21
12.10.1 Rectificación de un Plato ideal: ............................................................................. 21
12.10.2 Diseño de las Columnas de Platos: ........................................................................ 23
1
12.10.3 Balance en una Columna de Rectificación: .......................................................... 23
13. TIPOS DE PLATOS. ...................................................................................................... 25
13.1 Casquetes o Campanas de Burbujas: ............................................................................ 25
13.2. Platos Perforados: .......................................................................................................... 26
13.3 Platos de Válvula: ........................................................................................................... 27
13.4 Bandejas Uniflux: ........................................................................................................... 27
13.4.1 Aplicaciones de las correlaciones de Atkins: .......................................................... 28
13.4.2 Para el arrastre: ....................................................................................................... 28
13.5 Columnas de Relleno o de Empaquetamiento: ............................................................. 29
13.6 Ventajas de las Torres de Relleno: ................................................................................ 29
13.7 Desventajas de las Torres de Relleno ............................................................................ 30
13.8 Propiedades de las Torres de Relleno ............................................................................ 30
13.9. Propiedades de las Torres de Relleno ........................................................................... 30
2
1. INTRODUCCIÓN
Llamamos destilación a la separación de los componentes de una mezcla líquida por
vaporización parcial de la misma. La concentración de componentes volátiles es mayor en
el vapor obtenido que en la mezcla inicial, mientras que en el residuo aumenta la
concentración de los componentes menos volátiles. Aunque empleemos el término
destilación para designar algunos procesos en que el vapor producido consta prácticamente
de un solo componente, corno es la destilación del agua, en realidad se trata de procesos
de vaporización que no presentan problemas diferentes.
También hemos de separar del concepto de destilación como operación física, el de la
destilación destructiva del carbón o la madera.
Ésta se basa en la producción de una serie de reacciones químicas, con separación de varios
productos en forma de gases o vapores. La destilación, cuyo origen remoto parece estar en
el tratamiento de bebidas alcohólicas en Francia, se ha ido extendiendo a muchas industrias,
siendo un factor esencial para el funcionamiento de algunas. En otro aspecto, es un auxiliar
muy valioso para la investigación en Química orgánica.
Las aplicaciones industriales más numerosas se encuentran también en el campo de los
compuestos del carbono; p. ej., la separación de mezclas de hidrocarburos o la obtención
de compuestos puros. Sin embargo, no hay que olvidar la importancia que tiene la
destilación en industrias como la de separación del aire líquido en sus componentes, la
recuperación del amoníaco o la obtención del peróxido de hidrogeno concentrado a partir
de disoluciones acuosas. (Vian Ocon, 1979)
2. SEGURIDAD
Uso Conforme lo previsto
El equipo se ha diseñado exclusivamente para fines didácticos.
2.2. Indicaciones de Seguridad
Peligro: El equipo no debe exceder los 20 psi de vapor durante la operación o a su vez
1 barg.
3. CAPACIDADES EXPERIMENTALES
Balances de masa y calor
• Equilibrio vapor / líquido
• Determinación de las tasas de flujo de vapor y líquido *
• Determinación de los flujos de calor dentro de la planta *
• El efecto de variar la relación de reflujo *
• Determinación de HETP y eficacia de la columna usando construcciones de McCabe
Thiele y Ponchon Savarit *
• Determinación de eficiencias de bandeja Murphree *
3
• Efecto de las pérdidas de calor en McCabe Thiele y Construcciones Ponchon Savarit
*
• Destilación por lotes con control de reflujo constante *
• Destilación por lotes con control constante del producto *
• Comparación del bubble cap y el rendimiento de la columna compacta
• Destilación bajo vacío
Se usa una mezcla de metanol / agua en todos los experimentos. Otras mezclas binarias
también pueden ser investigadas. Los experimentos también están diseñados para
proporcionar capacitación en el control y la operación de plantas químicas.
* Experimentos completos suministrados.
4. Descripción del Equipo
4.1. Nombre del Equipo:
CTS3 Destilación: Columnas combinadas lecho empacado y platos
Un sistema de enseñanza completo con experimentos integrales, análisis de datos,
manuales del tutor y estudiantes, todos los instrumentos y controladores.
• Operación al vacío o atmosférica
• Destilación por lotes o estado estacionario
• Diseñado a medida
• Monitoreo visual completo del proceso
• Fácilmente operado y usado
• No es necesario más trabajo de desarrollo
• Adecuado para proyectos o trabajos de investigación
5. Especificación
Un módulo de sistema de enseñanza de destilación QVF que comprende dos columnas
separadas de 80 mm de diámetro y 1500 mm de largo, caldera termosifónica de 20 litros,
condensadores de vapor, control de reflujo infinito y variable, enfriador de destilado y
receptor, todos fabricados en vidrio de borosilicato. Incombustible, diseñado como un
rectificador de lotes o enriquecedor continuo con operación atmosférica o de vacío. Se
suministra con todas las válvulas, controladores, instrumentación, líneas de servicio y
estructura de soporte.
6. Descripción
La planta está equipada con un reboiler termosifón de vapor. El vapor generado en el
calderín se eleva a través de la columna y se condensa en un condensador vertical
refrigerado por agua. El producto condensado sale de la columna y pasa a un controlador
de relación de reflujo infinitamente variable que incorpora medidores de flujo de área
variable. El reflujo se devuelve a la columna y el producto pasa a través de una sección de
tubería más fría y graduada y se puede pasar a un recipiente receptor, que permite la
extracción del producto mientras se opera bajo vacío, o de regreso a la caldera.
4
El funcionamiento de la planta se controla desde un panel de control autónomo equipado
con un diagrama sinóptico que aloja controladores de flujo, indicadores de temperatura y
presión y controladores de servicios.
Todos los elementos principales del proceso y las tuberías están fabricados con vidrio de
borosilicato QVF con otras partes de contacto en PVDF, PTFE y acero inoxidable.
7. Vista General
5
8. Especificaciones del equipo
Tabla 8.1 Especificaciones del equipo
Equipo Descripción
Columna llena:
1500 mm x 80 mm de diámetro lleno con
Anillos raschig de 10 mm
Bubble Cap: 1500 mm x 80 mm de diámetro equipado con
columna 8 tipo 316 bandejas con bubble cap SS
Condensadores (2): 100 mm de diámetro x 0.5 m2 Refrigerador de
Caldera: 6 kW tipo 316 SS elementos de inmersión
(eléctricos)
Control de reflujo: 150 mm de diámetro x 0.5m2 (vapor)
medidores de flujo de área variable infinitamente
variables
Seguridad: disco de estallido de grafito (2), sensor de
temperatura del elemento, barreras zener
(eléctricas)
Producto: 40 mm de diámetro x 0.2 m2
9. Instrumentación Tabla 9.1 Instrumentación
Instrumento Descripción
Agua:
válvula de control, medidor de flujo, manómetro,
dos indicadores de temperatura
Aspiración: válvula de control, manómetro
Steam: Reductor, válvula de control, manómetro
o Electricidad: Controlador de potencia del tiristor de ángulo de fase, amperímetro, voltímetro
Proceso: controlador de reflujo, quince indicadores de
temperatura
10. Requisitos de servicios Tabla 10.1 Requisitos de servicios
Requerimiento Descripción
Steam:
9 kg / hora a 1 bar.g
o Electricidad:
6 kW 220 / 240V monofásico 50 Hz
Agua: 500 l / hora a 1 bar.g
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11. Manual de operación
Precaución
Antes de usar el equipo de destilación, la caldera debe haber sido puesta en marcha por lo
menos 30 min antes de empezar la experimentación.
Antes de que el vapor ingrese a las líneas de tuberías del equipo realizar la purga de todas
las líneas del vapor.
11.1. Purga:
1. Mantener cerrada la válvula de regulación de vapor
2. Abrir la llave de compuerta en un 25-50% de apertura para el arrastre de los
condensados dentro de la línea de tubería.
3. Abrir la llave de condensados y purgar la línea.
11.2. Pasos para ingresar la alimentación.
1. Antes de ingresar la alimentación asegurar que la válvula de paso del fondo se
encuentre totalmente cerrada.
2. Desmontar el balón de alimentación retirando todas las tuercas.
3. Levantar la tapa y agregar el fluido con un volumen máximo de 20 Litros (25°C)
4. Ensamblar las tuercas en su lugar y asegurarse de que se encuentran bien
ajustadas para evitar fugas durante la evaporación.
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11.3 Ingreso del Vapor
1. Abrir la válvula reguladora de vapor
2. Regular la válvula de vapor asegurándose de no sobrepasar los 20 psi.
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1 2 Precaución
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11.4. Ingreso del refrigerante
1. Antes del ingreso del refrigerante asegurarse que las válvulas del panel de control
de agua se encuentren cerradas.
2. Abrir las válvulas de globo del agua que se encuentran en la parte posterior
derecha del equipo en su totalidad.
3. Regular el paso de agua mediante las perillas del panel.
*NOTA: Para el caso de la experimentación en la torre de platos el control de presión y
temperatura se lo realizara mediante las perillas de la derecha, y para la torre de rellenos
la de la izquierda respectivamente.
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11.5. Pasos para la obtención de destilado.
1. Mantener cerrada la llave de paso de obtención de destilado.
2. Mantener abierta la llave de paso de recirculación
3. Este proceso se mantiene hasta alcanzar la temperatura deseada en la columna,
una vez alcanzada dicha temperatura se cierra la llave de recirculación y se la
llave de obtención de destilado.
11.6 Toma de muestra
1. El equipo permite tomar muestras de cada plato para analizar la concentración que
se logra obtener en cada plato.
2. Colocar vasos de precipitación en los soportes metálicos de la torre, de esta
manera se abren las mangueras y se obtiene las muestras de cada plato durante la
experimentación.
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11.7. Apagado del equipo
1. Asegurarse que la solución de trabajo dentro del reboiler termosifón de vapor se
encuentre por encima del serpentín.
2. Cerrar la válvula de aguja.
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3. Cerrar la válvula de compuerta
4. Cerrar las válvulas del panel para el fluido de refrigeración, y luego cerrar las
válvulas de bola del ingreso del agua a la torre.
5. Después de haber apagado la caldera se deja enfriar el equipo y se procede abrir la
válvula de fondo y purgar el sistema
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12. FUNDAMENTOS
12.1 DESTILACIÓN BINARIA
Se trata de una operación con transferencia de masa, en lo que, la difusión estacionaria
equimolecular gobierna este fenómeno. Mediante la destilación se puede separar
componentes de una solución, aprovechando los diferentes puntos de ebullición;
debiéndose anotar que los componentes del sistema se encuentran presentes en ambas
fases líquido y vapor.
12.2. Consideraciones de Equilibrio
12.2.1 Regla de las Fases. - Si aplicamos el equilibrio heterogéneo a esta operación, es
decir, la han denominado regla de las fases tenemos que:
El hecho de que la destilación sea bivariante, nos indica que en esta operación
tenemos dos condiciones que podemos variar a voluntad. Tratándose de una fase ya
construida, estas dos condiciones son: la razón de reflejo y la razón de calentamiento
en el calderín.
12.3 Diagramas de Equilibrio líquido- vapor
Consideremos los diagramas de equilibrio T-vs-(X,Y); X-vs-Y a presión
constante:
Una mezcla en la curva inferior, como el punto D, es la del líquido saturado; una
mezcla en la curva superior, como el punto F, es la del vapor saturado. Luego una
mezcla en el punto E, es una mezcla de dos fases, formándose por una fase líquida
de composición D y una fase vapor de composición F, en proporciones tales que
la composición media de la mezcla total estará representada por E. Las cantidades
relativas de las fases de equilibrio están relacionadas de la siguiente manera:
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Consideremos una solución tal como lo del punto G en un recipiente cerrado que puede
mantenerse a presión constante mediante un pistón móvil. En G la solución es totalmente
líquida, si se calienta, la primera burbuja se formará en el punto H y tendrá la composición
J. A medida que prosigue la evaporación, más vapor se formará a expensas de más líquido,
elevándose, por ejemplo, hasta el líquido L y su vapor en equilibrio K, aunque la masa
total es la original G. La última gota de líquido evaporará en N y tendrá la composición
M. Sobrecalentando la mezcla seguirá el trayecto MO. La mezcla se ha evaporado en el
intervalo H-M, distinto de la temperatura de evaporación simple de una sustancia pura.
Así el término “punto de ebullición” generalmente no tiene significado para una
solución (soluto volátil); ya que la evaporación tiene lugar dentro de un intervalo de
temperatura, es decir, donde son punto de burbuja a su punto de rocío.
Si se enfrió la mezcla en O, todo el fenómeno se repte en orden inverso.
La curva superior es conocida como “curva de puntos de rocío” y la curva inferior es
“curva de puntos de burbuja”.
Otra forma de representar el equilibrio es en el diagrama (X-Y) que representa las
composiciones del líquido y del vapor que están en equilibrio. Y se la puede construir
a partir del diagrama T-vs-(X,Y).
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Cálculo del punto de burbuja y de Rocío. - Para estos cálculos podemos hacer uso de la
termodinámica; así en equilibrio tenemos:
Como
Ecuación que nos pone de manifiesto que, 𝑘=𝑓(𝑇), y es la expresión que nos permite el cálculo
de la temperatura de burbuja, mediante aproximaciones sucesivas o tanteo.
Para estos cálculos se supone una temperatura y luego con sus respectivos X y Y se calcula k
y se comprueba que Σ𝑌𝑖=Σ𝑘𝑖𝑋𝑖=1 hasta que se cumpla esta condición.
Para el cálculo de la temperatura de rocío, se lo hace también por aproximaciones sucesivas,
pero en este caso se hace cumplir la condición.
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Balance de masa:
Para facilidad de cálculo se puede suponer que el comportamiento de la fase vapor es igual a
la de un gas ideal, es decir que:
12.3.1 Ley de Dalton:
12.3.2 Ley de Raoult:
Datos de equilibrio a partir de presiones de vapor:
Se procede así:
NOTA: Σ𝑌𝑖=1 primero burbuja de vapor; punto burbuja, Σ𝑋𝑖𝑘𝑖=1
Σ𝑋𝑖=1 primero gota de condensación; punto rocío; Σ𝑌𝑖𝑘𝑖⁄=1
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12.3.4 Ecuaciones de Antoine: estas expresiones nos permiten calcular tanto la temperatura de
burbuja como la de rocío.
12.3.5 Clausius: propone una ecuación para el cálculo de la temperatura de rocío y es la
siguiente:
12.4 Volatilidad Relativa: A este parámetro se lo conoce con el nombre de “factor de
separación” y en destilación se lo conoce con el nombre de volatilidad relativa.
Matemáticamente está representado por el cociente de concentraciones de las fases:
Volatilidad relativa:
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Para un azeótropo, en el punto donde la curva de equilibrio entre la diagonal del diagrama x-y;
tenemos:
Sea que ∝ va a variar para valores ≥1; y mientras ∝→1 más difícil resulta la separación; es
decir que mientras más la curva de equilibrio se acerca a la diagonal es un sistema más difícil
de separar.
12.5 Presiones crecientes y de Equilibrio: Cuando la presión, aumenta, la volatilidad
relativa disminuye; por lo tanto, la separabilidad se dificulta. Del mismo modo o a medida que
disminuye la presión, la volatilidad relativa aumenta, facilitando de este modo la separación.
Los azeótropos pueden ser destruidos sometiendo a dichos sistemas o bajas presiones.
Para aclarar mejor consideremos los siguientes diagramas de equilibrio T-vs-(X,Y); Y-vs-X
sometidos a la acción de diferentes presiones.
12.6 Métodos de Destilación: En lo práctico la destilación puede llevarse a cabo por dos métodos
generales.
El primero implica la producción de un vapor por ebullición de la mezcla líquida que
se quiere separar, condensando seguidamente estos vapores, sin llevar ninguna porción
de líquido destilado como reflujo al calderín para que se pongan en contacto con el
vapor que se desprende.
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En el segundo método se envió una parte del condensado al calderín de tal forma que
este retorno se encuentre en íntimo contacto y en contracorriente en los vapores que se
desprenden y van hacia el condensador. Este último método tiene una gran importancia
que ha recibido el nombre de “Rectificación”.
12.7 Destilación de Equilibrio: Existen dos tipos importantes de destilación que no implican
rectificación; estos son:
Destilación de equilibrio o destilación relámpago o flash (cerrado).
Destilación sencilla o destilación diferencial (abierta).
12.8 Destilación de Equilibrio o flash: Implica la vaporización de una fracción determinada
de una carga de líquido, manteniendo tanto el líquido como el vapor formado; en íntimo
contacto hasta el final de la operación, de forma que el vapor está siempre en equilibrio con el
líquido, retirando el vapor y condensándolo. La relación entre las composiciones del líquido y
del vapor al final del proceso son los que corresponden al diagrama de equilibrio de la mezcla
destilada.
Suponemos un sistema de dos componentes A y B; donde A es el más volátil. Si F es la
alimentación, y esto es vaporizado en V vapor y queda L líquido; si consideramos que y es el
compuesto de V y X es la composición de L. Por balance de masa tenemos:
Como: (A)
También se puede obtener: (B)
Las ecuaciones (A) y (B) representan el balance de materia sobre el componente más volátil;
en estas ecuaciones hay dos incógnitas que son X y Y. Para resolver es necesario disponer de
otra relación entre (X e Y). Tal relación nos da la curva de equilibrio, de la que pudiera
obtenerse 𝑌=𝑓(𝑋) y combinando con la ecuación (A) o (B) calcularíamos matemáticamente X
e Y.
Esto se resuelve más fácilmente construyendo la recta que representa la ecuación (A) sobre el
diagrama de equilibrio y el punto de intersección entre la recta y la curva de equilibrio nos da
la solución deseada.
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Otra alternativa para la solución de estos problemas es por tanteo, haciendo una de la ecuación
(B) se asume X o Y mediante la tabla de equilibrio se obtiene Y o X (según lo asumido) hasta
que se cumpla la condición.
12.9 Destilación Diferencial: Este es un método de destilación que se efectuó con frecuencia
en los laboratorios, cuando se trabaja con reflujo, llevando continuamente los vapores
producidos hasta el condensador. Esta operación se realiza calentando la mezcla líquida inicial,
hasta su temperatura de ebullición, y retirando continuamente los vapores producidos; a medida
que transcurre la operación el líquido se empobrece en componentes más volátiles, elevándose
continuamente la temperatura de ebullición de la mezcla; del mismo modo los vapores
producidos son cada vez más pobres en volátiles y su temperatura de condensación aumente
continuamente.
Consideremos una carga F moles de líquido; supongamos que al cabo de un cierto tiempo de
destilación existan W moles de líquido residual, y supongamos igualmente que las
composiciones del líquido y del vapor son X e Y respectivamente. La cantidad total de
componente A (más volátil) en el líquido pesa WX. Supongamos que se vaporiza una cantidad
pequeña dW de líquido; durante la destilación, la composición del líquido disminuye donde x
a x-dx, y el peso del líquido disminuye desde w a w-dw. Entonces existirán en el calderín (x-
dx) (w-dw) moles de A, mientras se ha desprendido con el vapor ydw del mismo componente.
Un balance de materia con respecto al componente A da:
Efectuando operaciones:
Despreciando el diferencial de segundo orden dxdw, se tiene:
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Integrando: límites desde W hasta F
Ecuación Lord Rayleigh
La solución general a estos problemas es gráfica.
Cuando se conoce una relación matemática 𝑦=𝑓(𝑥), la integración puede hacerse
analíticamente.
(Obtenido Xw, Y del destilado se obtiene: 𝐹𝑋𝐹=𝐷𝑌+𝑊𝑋𝑊)
La incógnita en este caso es Xw; la solución gráfica es también por tanteo; se asume diferentes
valores de Xw hasta que sea el límite adecuado de integración cuya área del valor [ln(𝐹/𝑊)].
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12.10 Destilación Continua en Rectificación: Se trata de una operación en contracorriente
y etapas múltiples; para sistemas binarios con especiales excepciones, es posible mediante este
método separar los componentes con la pureza que se desee. Para esta operación se requiere de
columnas de destilación las mismas que constan de:
a) Columna propiamente dicha; que es cilíndrica en cuyo interior lleva dispositivos que permite
el contacto entre fases (líquido-vapor). Estos dispositivos pueden ser platos o rellenos.
b) Calderín, se trata de un recipiente con calefacción en el que se genera el vapor, el mismo
que va localizado en la parte inferior o un costado de la columna.
c) Balón de reflujo, en este recipiente se deposita el destilado condensado y una parte de este
retorna a la columna como reflujo y otra se obtiene como destilado.
Durante la operación en una columna, la fase líquida desciende en tanto que la fase vapor
asciende. A medida que el líquido desciende por la columna, se va enriqueciendo en el
componente de la mezcla que tiene el punto de ebullición, más elevado, y a medida que la
corriente de vapor asciende por la columna se va enriqueciendo en el componente del punto de
ebullición más bajo. En consecuencia, la columna es un aparato apropiado para poner a estas
dos corrientes en íntimo contacto, de tal forma que la corriente de vapor tienda a vaporizar los
componentes del punto de ebullición más bajo que lleve la corriente líquida, y esta a su vez
tienda a condensar los componentes del punto de ebullición, elevado que lleve la corriente de
vapor. La cabeza de la columna está más fría que su fondo, por lo que la corriente de líquido
va calentándose a medida que desciende y la de vapor va enfriándose a medida que asciende.
Esta transmisión de calor se efectúa por contacto entre el líquido y el vapor.
12.10.1 Rectificación de un Plato ideal: Consideremos el siguiente diagrama:
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En el plato n entran y salen dos corrientes:
ENTRAN: líquido 𝐿𝑛−1 de composición 𝑋𝑛−1 del plato n-1
Vapor 𝑉𝑛+1 de composición 𝑌𝑛+1 del plato n+1
SALEN: líquido 𝐿𝑛 de composición 𝑋𝑛 del plato n+1
Vapor 𝑉 de composición 𝑌𝑛 del plato n-1
El siguiente diagrama de temperaturas de ebullición, corresponde a la mezcla considerada, y
en ella se representan las cuatro concentraciones indicadas anteriormente.
De acuerdo con la definición de plato ideal, el vapor y el líquido que salen del plato n están en
equilibrio, de forma que Xn e Yn representan concentraciones de equilibrio. Por consiguiente,
las corrientes que salen del plato están en equilibrio, pero en cambio no lo están las que entran
en él, según se puede apreciar en el diagrama. Cuando el vapor 𝑉𝑛+1 y el líquido 𝐿𝑛−1 se
ponen en íntimo contacto, sus composiciones tienden a acercarse hacia el estado de equilibrio,
según se indica mediante las flechas en el diagrama. En el líquido se vaporiza algo de
componente volátil A, disminuyendo su concentración desde 𝑋𝑛−1 a 𝑋𝑛, mientras que la fase
vapor condensa algo de componente menos volátil B, con lo cual la concentración de vapor
aumenta desde 𝑌𝑛+1 𝑎 𝑌𝑛.
Puesto que las corrientes de líquido están a sus temperaturas de ebullición y las corrientes de
vapor a sus temperaturas de condensación, y el calor necesario para vaporizar el componente
A tiene que ser suministrado por el calor que se desprende en la condensación del componente
B. “Cada plato de la columna actúa como un aparato de intercambio en el cual el componente
A se transfiere a la corriente de vapor y el componente B a la corriente de líquido”.
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12.10.2 Diseño de las Columnas de Platos: Los factores fundamentales para el diseño y
operación de las columnas de platos son el número de platos necesarios para obtener una
determinada separación, en diámetro de la columna y el calor que hay que suministrar al
calderín y el que hay que retirar en el condensador, la separación entre platos, la elevación del
tipo de plato y los detalles constructivos de los mismos.
12.10.3 Balance en una Columna de Rectificación: Para esto consideramos el siguiente
diagrama:
(Calle M, 2016)
Tomemos el Sector I
Balance de masa: 𝑉1=𝐿𝑜+𝐷
Introducimos la siguiente definición:
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Razón de reflujo: 𝑅=𝐿𝑜𝐷(7.2.1.1)
Reemplazando: 𝑉1=𝑅𝐷+𝐷=𝐷(1+𝑅)
Considerando la concentración referido al componente más volátil.
𝑉1𝑌1=𝐿𝑜𝑋𝑜+𝐷𝑋𝐷
Aplicando balance de entalpía:
𝑉1𝐻𝑉1=𝐿𝑜ℎ𝐿𝑂+𝐷ℎ𝐷+𝑄𝐶 𝐷(1+𝑅)𝐻𝑉1=𝑅𝐷ℎ𝐿𝑂+𝐷ℎ𝐷+𝑄𝐶
Y se obtiene: 𝑸𝑪=𝑫[(𝟏+𝑹)*𝑯𝑽𝟏−𝑹𝒉𝑳𝑶−𝒉𝑫] (2)
Sector II.-
Balance de masa: 𝐹=𝐷+𝑤
Empleando composiciones: 𝐹𝑋𝐹=𝐷𝑋𝐷+𝐷𝑋𝑊
Puesto que las dos ecuaciones anteriores no contienen más que dos incógnitas, D y W, se puede
resolver el sistema así:
Por un procedimiento similar se obtiene:
Balance de entalpía:
donde: 𝑄𝐿=Σ de pérdidas calóricas =(𝑄𝐿𝑚̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅+𝑄𝐿𝑛)
La ecuación del balance de entalpía establece que, si se fija el calor cedido en el calderín, 𝑄𝐵,
entonces el calor que hay que extraer en el condensador 𝑄𝐶 no puede variarse y queda fijado
en un valor determinado. De igual manera si se fija el calor a extraerse en el condensador,
queda fijado 𝑄𝐵; por esta razón, una de estas dos cantidades debe ser fijado antes de proceder
al proyecto.
Sector III.- Balance en zona de Rectificación
Balance de materia: 𝑉𝑛+1=𝐷+𝐿𝑛 (5)
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Considerando composiciones: (𝑉𝑛+1)(𝑌𝑛+1)=𝐷𝑋𝐷+(𝐿𝑛)(𝑋𝑛) ( 6)
El balance de entalpía no interesa.
Sector IV.- Balance en zona de Agotamiento. -
Balance de materia: 𝐿𝑚̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅=𝑉𝑚+1̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅+𝑊 (7)
Considerando composiciones: (𝐿𝑚̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅)(𝑋𝑚)=(𝑉𝑚+1̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅)*(𝑌𝑚+1)+𝑊𝑋𝑤 (8)
El balance de entalpía no interesa.
Líneas de Operación. - Puesto que hay dos secciones en la columna, existirán dos líneas de
operación, una para la sección de rectificación y otra para la sección de agotamiento.
Zona de Rectificación. - Consideremos la ecuación (6) lo cual podemos escribir de la siguiente
manera:
En esta expresión sustituyendo la ecuación (5)
Ecuación que representa la línea o recta de trabajo en la zona de rectificación.
Zona de Agotamiento.- a la ecuación (8) podemos escribirle:
Si sustituimos la ecuación (7)
13. TIPOS DE PLATOS.
Existen diferentes tipos de platos y muchos de ellos son patentados. Entre los diferentes
tipos de platos podemos anotar los siguientes:
13.1 Casquetes o Campanas de Burbujas: son conocidas desde hace mucho tiempo
atrás. Debido a que las mismas pueden operar en un elevado rendimiento en una amplia
gama de regímenes de flujo; en el pasado han construido el tipo más común de bandeja
y es de lo que mayor literatura se dispone.
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Las campanas de borboteo se las distribuye generalmente en forma triangular o en ciertos
casos se las distribuye en cuadro. Debemos anotar que la distribución en triángulo permite
colocar un mayor número de campanas.
13.2. Platos Perforados: son también conocidos tanto tiempo como las campanas de
borboteo, debido a que son menos caras que las campanas de borboteo y a las
modificaciones que se lucieron en sus diseños (muchas modificaciones están patentadas)
recuperan su importancia en la década del 60.
Se usan diámetros de agujeros donde 1/8” a ½”, siendo lo más frecuente 3/16”. Los agujeros
van en forma de triángulos equiláteros, a una distancia de centro a centro de 2,5 a 5 veces la
magnitud del diámetro de los agujeros. Las láminas por lo general de acero inoxidable u otra
aleación, para el acero inoxidable el espesor de las láminas es frecuentemente 4/10 a 8/10
del diámetro de los agujeros, y algo mayor para acero al carbono o para aleaciones de cobre.
El área limitada por el vertedero es del orden de 15 a 20 % del área total del plato.
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13.3 Platos de Válvula: son bandejas perforadas en las aberturas para el flujo de gas,
de área variable. Estas son cubiertas en casquetes móviles que se eleva o medida que
aumenta el régimen de gas.
Estas bandejas son muy eficientes y permiten ampliar su capacidad hasta 8 veces la capacidad
de diseño, frente a una columna en campanas de borboteo que permite ampliar su capacidad
de 2 a 4 veces la capacidad de diseño.
13.4 Bandejas Uniflux: Son similares a las campanas de borboteo, pero tienen forma
de S que se extiende transversalmente en el plato y en ángulo recto a la dirección del
flujo de gas.
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Existen además otros tipos de platos.
13.4.1 Aplicaciones de las correlaciones de Atkins: Una de las causas para que la eficiencia
de una columna sea baja, son los problemas de tipo hidráulico. Estos pueden ser obviadas sin
el diseño de un plato se aplican las correlaciones de Atkins.
13.4.2 Para el arrastre: el arrastre puede ser evitado si se considera:
Siendo:
a = área para las perforaciones [pie2]
V = flujo de vapor en [lb/b]
PL, PV = densidad del líquido y vapor en [lb/pie3]
K = constante que depende de la distancia entre platos.
Cubre columnas de 1,22 a 3,66 m de diámetro.
Para platos con campanas de borboteo, Atkins sugiere que:
Siendo:
R = igual a la suma de áreas correspondientes a los orificios para colocar las campanas de
borboteo.
Si se trata de platos perforados:
Para la Espuma.-
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Lo = flujo de líquido en galones por minuto.
F = factor que depende de la distancia entre platos, así:
Para las Salpicaduras.
13.5 Columnas de Relleno o de Empaquetamiento: Las columnas de rectificación con
rellenos, no es otra cosa que un tubo, en cuyo interior lleva los denominados cuerpos
rellenos, los cuales son los encargados de prometer el contacto íntimo entre el líquido y
el vapor al desplazarse el líquido sobre la superficie de los cuerpos en contra corriente
con respecto al vapor comparando el funcionamiento de una torre de relleno frente a una
columna de platos, se observa que en la de platos hay una variación discontinua de la
concentración de un plato a otro, en tanto que en las columnas de relleno esta variación
es continua a lo largo de la misma.
13.6 Ventajas de las Torres de Relleno: entre estas podemos anotar las siguientes:
1.- Las columnas de relleno tienen una caída de presión menor por unidad de altura que
cualquier otro tipo de construcción.
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2.- En las columnas de pequeño diámetro, en las cuales resulta difícil colocar más de dos
campanas de borboteo por plato, las columnas de relleno son las más indicadas.
3.- En columnas de relleno técnicamente proyectadas, la cantidad de líquido retenido por
la columna es pequeña. Este aspecto es de gran importancia, si se trata de líquidos
insensibles a la temperatura.
13.7 Desventajas de las Torres de Relleno
1.- Poca flexibilidad, esto requiere que la capacidad de diseño difícilmente se la puede
ampliar.
2.- No se opera sobre amplias zonas de cargo de vapor o líquido por unidad de sección
recta de columna.
3.- La distribución de líquido en estas columnas es difícil, aunque este se distribuye
adecuadamente sobre el relleno por la parte superior. Se ha visto que existe una tendencia
o concentrarse sobre las paredes dejando el centro del relleno sin mojarse. Por esta razón
se debe colocar redistribuidores de líquido a una distancia corriente, esta particularidad
anotada se presenta en columnas de gran tamaño.
13.8 Propiedades de las Torres de Relleno Las propiedades que debe poseer una torre
de relleno son las siguientes:
1.- Bajo peso por unidad de volumen.
2.- Gran superficie activa por unidad de volumen.
3.- Gran acción transversal libre. Esto tiene importancia porque afecta a la pérdida de
carga por fricción a través de la torre y por consiguiente a la potencia necesaria para hacer
circular el fluido.
4.- Gran volumen libre.
5.- Pequeño peso de líquido retenido.
13.9. Propiedades de las Torres de Relleno Las propiedades que debe poseer una torre
de relleno son las siguientes:
1.- Bajo peso por unidad de volumen.
2.- Gran superficie activa por unidad de volumen.
3.- Gran acción transversal libre. Esto tiene importancia porque afecta a la pérdida de
carga por fricción a través de la torre y por consiguiente a la potencia necesaria para hacer
circular el fluido.
4.- Gran volumen libre.
5.- Pequeño peso de líquido retenido.