COLUMNAS

Las columnas son uno de los equipos más utilizados dentro de la industria química. Existen

numerosas aplicaciones para estos equipos, siendo la mayoría operaciones de separación de componentes. De esta manera las columnas se diseñan principalmente para llevar a cabo tres operaciones:

Destilación:

La destilación es una de las operaciones unitarias más empleadas para la separación de los componentes de una mezcla. Esta separación se produce gracias a la diferencia de volatilidad entre las sustancias que forman la mezcla. El componente de mayor volatilidad sale por cabeza mientras que el menos volátil se obtiene por fondo.

Una columna de destilación está formada habitualmente por una carcasa cilíndrica, un condensador y un hervidor. En el interior de la carcasa se suele disponer un relleno o una serie de platos para que la separación se lleve a cabo de la mejor manera posible y de esta manera se aumenta la eficacia.

- El hervidor proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la separación.

- El condensador enfría el vapor para condensarlo y mejorar la eficacia de la destilación, mientras que el acumulador de reflujo almacena el vapor condensado para introducir una parte de éste de nuevo a la columna como reflujo.

- La alimentación se suele introducir en una de las etapas intermedias y a partir de ahí se divide la columna en una sección de rectificación o enriquecimiento y en una sección de agotamiento.

Normalmente es necesario realizar más de una etapa de destilación para alcanzar la pureza requerida en los componentes destilados.

TIPOS:

El proceso de destilación se puede realizar en diferentes tipos de columnas que pueden clasificarse, en relación a sus dispositivos internos en:

- columnas de platos

- columnas de relleno

Atendiendo al modo de operación se encuentran los siguientes tipos de destilación:

- Destilación por cargas (o discontinua): se introduce la mezcla a destilar directamente en el hervidor y el vapor pasa a una columna de fraccionamiento. Se emplea para recuperar componentes volátiles de una mezcla y cuando la cantidad a tratar es pequeña.

- Destilación continua: la alimentación se introduce continuamente a la columna. Es la manera más común de operar.

Según el número de componentes que contenga la mezcla entrante a la columna se distinguen:

- Destilación binaria: la mezcla entrante a la columna está formada únicamente por dos compuestos. - Destilación multicomponente: se realiza la separación de una mezcla compuesta por más de dos

sustancias químicas.

Otros tipos de destilación especiales son:

- Destilación azeotrópica: si la mezcla presenta un azeótropo no se puede separar por destilación simple, es necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica.

- Destilación extractiva: se introduce un disolvente a la columna que altera las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla

COLUMNAS DE PLATOS

En las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido.

Al plato se le exige que sea capaz de tratar las cantidades adecuadas de líquido y vapor sin una inundación o un arrastre excesivos, que sea estable en su funcionamiento y resulte relativamente simple en cuanto a instalación y mantenimiento. También es importante conseguir que la caída de presión en el plato sea mínima.

El número de platos necesarios para efectuar una separación dada vendrá determinado por distintos factores, que se analizarán a continuación. Por lo general cuanto mayor sea el número de platos de la torre, mayor será la separación conseguida.

Se pueden encontrar diferentes tipos de platos:

- Platos de campanas de barboteo: ha sido el plato más ampliamente utilizado, las campanas están colocadas sobre unos conductos de subida.

- Platos perforados: su construcción es mucho más sencilla, requiriendo la perforación de pequeños agujeros en la bandeja.

- Platos de válvulas: es un intermedio entre los de campanas de barboteo y los platos perforados. La construcción es similar a los de campanas, cada agujero tiene por encima una válvula que se eleva ante el paso del vapor.

Distintos tipos de platos: 1.plato de barboteo, 2. plato de válvulas, 3. plato perforado

Normalmente el tipo de plato más empleado es el plato perforado, debido principalmente a su economía. Si se requiere una mayor flexibilidad entonces se hará uso de los platos de válvulas; actualmente los platos de barboteo aparecen únicamente en los casos en que es necesario controlar el tiempo de residencia para que se dé una determinada reacción química o si el flujo de vapor es insuficiente y se produce un goteo del líquido.

Plato de barboteo

Distintos tipos de válvulas

COLUMNAS DE RELLENO

En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de carga, por tanto para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un compromiso entre estos dos factores.

La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado. Además, es necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes.

Se tienen varios tipos de relleno:

- Al azar: este tipo de relleno es bastante económico y suelen ser de materiales resistentes a la corrosión (metálicos, cerámicos o de plástico). Los rellenos más empleados eran los anillos Rashig y las sillas o monturas Berl, pero ahora han sido reemplazados por otros más eficientes como los anillos Pall, las monturas Intalox y los anillos Bialecki.

- Estructurado: es bastante más caro por unidad de volumen que el relleno al azar, pero ofrece mucha menos pérdida de carga por etapa y tiene mayor eficiencia y capacidad.

El empleo de columnas de relleno frente a las de platos se ve favorecido en los siguientes casos:

- cuando las columnas son de pequeñas dimensiones (menos de 0,6m de diámetro y una altura de relleno inferior a 6m)

- si se tienen sustancias corrosivas o se forma mucha espuma

- si se requiere que la pérdida de carga en la columna sea pequeña

- si la velocidad del líquido es elevada

FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de toda columna de destilación se basa en que existe un vapor que asciende por la columna el cual se encuentra con un líquido que desciende, entonces se produce una transferencia de materia y energía en cada etapa (bien sea un plato o una porción de relleno). Aunque la alimentación sea un líquido subenfriado, el vapor aparece como consecuencia del hervidor situado en la parte inferior de la columna, hay que tener en cuenta que los únicos aportes de calor a lo largo de la columna se realizan en el hervidor y en el condensador.

El vapor, a medida que se aproxima a la parte superior de la columna, se enriquece en los componentes volátiles de la mezcla, mientras que el líquido que circula en contracorriente arrastra los componentes más pesados.

Las corrientes que salen de cada etapa se encuentran en equilibrio pero las que entran no lo están. Las corrientes de líquido están en sus puntos de burbuja y las corrientes de vapor en sus puntos de rocío, por tanto se produce un intercambio calorífico entre ambas corrientes.

Para determinar las composiciones de cada corriente se pueden usar diagramas semejantes al que se muestra:

Diagrama de puntos de ebullición para una sección de rectificación

Todas las fracciones molares que se muestran aquí y en las secciones sucesivas están referidas al componente más volátil de la mezcla).

La facilidad de la separación va a depender del valor de la volatilidad relativa:

donde Ki son las constantes de equilibrio (Ki = yi/xi)

En el caso de una solución ideal:

Siendo:

Cuanto mayor sea la volatilidad relativa, mayor será la separación.

Por otro lado hay que destacar la importancia del reflujo en una columna de destilación ya que si no resultaría imposible conseguir una concentración en el producto de cabeza mayor que en la alimentación. Se tiene un reflujo mínimo que es la cantidad mínima necesaria que se debe retornar a la columna para que se verifique la separación y un reflujo máximo o reflujo total para el cual todo el producto de cabeza se recicla a la columna. Normalmente existe un reflujo óptimo para el cual la eficacia es máxima. La mayoría de columnas están diseñadas para trabajar con una relación entre el reflujo mínimo y el óptimo de 1,1 a 1,5

Mecanismo de destilación binaria

Se puede emplear un condensador parcial o uno total para la destilación. La elección depende de la pérdida de carga del acumulador de reflujo, así como de otras características del proceso. Se recomienda la utilización de un condensador total si la pérdida de carga es aproximadamente de 1,48 MPa y si ésta es superior, entre 1,48 y 2,52 MPa, se usará un condensador parcial.

CALCULO

CÁLCULO DEL NÚMERO DE PLATOS

Para conocer el número de platos de una columna de destilación hay que tener en cuenta las características de la alimentación:

DESTILACIÓN BINARIA: en este caso se puede optar por varios métodos, entre ellos:

- Sorel: se trata de un método analítico en el que se van realizando balances de materia y energía plato a plato.

- Lewis: es una simplificación del método anterior. Se aplica la condición de reflujo molar constante, esto es posible cuando los calores de vaporización de los componentes de la alimentación son aproximadamente iguales.

- Mc Cabe-Thiele: consiste en un método gráfico y es el más extendido académicamente por su simplicidad.

DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE: se trata de un cálculo más complejo debido a la existencia de un mayor número de componentes. El método riguroso de cálculo lleva consigo una simulación de la columna y donde se realiza la optimización del diseño.

OTROS CÁLCULOS

Si se quieren calcular otras características de la columna como el diámetro o la altura, hay que tener en cuenta si se trata de una columna de platos o una columna de relleno.

- columna de platos

- diámetro de plato

- pérdida de carga en el plato

- eficacia de plato

- columna de relleno

- diámetro de la columna

- altura de la columna

- método de los coeficientes de transferencia de materia

METODO DE McCABE-THIELE

Para aplicar este método es necesario conocer:

- la fase de la alimentación (el porcentaje de vaporización)

- la naturaleza del condensador, si es parcial o total

- relación del reflujo a reflujo mínimo

- la composición del destilado y del fondo

- se considera que la presión es constante a lo largo de la columna

Gracias a este método se puede determinar:

- Número de etapas de equilibrio: N

- Número mínimo de etapas necesarias: Nmin

- Reflujo mínimo: Rmin

- Plato de alimentación óptimo

Para trazar la recta de la sección de rectificación se debe realizar un balance de materia a la parte superior

de la columna:

V· y = L· x + D· xD Despejando:

y = (L/V)· x + (D/V)· xD

Otra manera alternativa de expresar esta misma ecuación es empleando la relación de reflujo R=L/D.

Sustituyendo se obtiene:

y = (R/R+1)· x + (1/R+1)·xD

Para calcular la recta de la sección de agotamiento se procede de igual manera:

L'· x = V'· y + B· xB

y = (L'/ V')· x - (B/ V')· xB

Se comprueba que para la sección de rectificación la pendiente de la recta es L/V <1 mientras que en la

sección de agotamiento la pendiente es L'/V' >1.

Para expresar la recta de alimentación es necesario calcular un parámetro, q, cuyo valor va a ser función de

la vaporación de la mezcla de entrada.

q = (L'- L)/ F

Si la mezcla está parcialmente vaporizada q<1, si la alimentación es un líquido subenfriado, q>1, y si es un

vapor sobrecalentado, q<0. El cálculo de q se generaliza con la siguiente expresión:

- para un líquido subenfriado

- para un vapor sobrecalentado

Considerando las siguientes ecuaciones:

y· (V-V') = (L-L')· x + D· xD + B· xB

D· xD + B· xB = F· zF

F + V' + L = V + L'

Y sustituyendo, se obtiene:

y = (q/ q-1)· x - (zF/ q-1)

Ahora se procede a la representación gráfica para hallar el número de etapas de equilibrio y el plato óptimo

de alimentación:

Hay que tener en cuenta que si el condensador es parcial la primera etapa de equilibrio corresponde al

condensador y que la última etapa es el hervidor.

Para averiguar el valor del reflujo mínimo el punto de intersección de las rectas de alimentación,

rectificación y agotamiento se debe encontrar sobre la curva de equilibrio. En este caso el número de platos

se hace infinito. El valor de Rmin se deduce del valor de la ordenada en el origen. También es posible hacer

el cálculo a partir de la pendiente de la recta de rectificación (reflujo interno mínimo):

(L / V)min = Rmin/ Rmin+1

Para hallar el número mínimo de etapas necesarias, Nmin, para llevar a cabo la separación, los escalones se

deben apoyar simultáneamente sobre la línea de 45º y la curva de equilibrio, debido a que las líneas de

operación coinciden ambas con la diagonal. Esta condición se denomina de reflujo total y el punto de

intersección sobre la curva de equilibrio se denomina punto de pinzamiento o pinch point.

APLICACIONES

Existen infinidad de aplicaciones de la operación de destilación. Se emplean en numerosas industrias desde la industria petroquímica a la farmacéutica. Se puede afirmar que prácticamente en cualquier proceso

químico va a aparecer una destilación debido a la necesidad de separación de ciertos componentes de otros menos valiosos.

Algunos ejemplos de aplicación son:

- Uno de los procesos más empleados es el de separación del aire con el fin de obtener nitrógeno y oxígeno puros para su empleo en la industria electrónica.

.

- En las refinerías de petróleo aparecen numerosas unidades de destilación que separan diversos productos según su aplicación.

Torre de destilación atmosférica

- En primer lugar aparece la torre de destilación atmosférica a partir de la cual el petróleo crudo se separa en diferentes fracciones en función de su punto de ebullición

- Después el residuo atmosférico pasa a una torre de destilación a vacío

Otras destilaciones asociadas al proceso son:

- en las unidades de fraccionamiento catalítico para la posterior separación de las diferentes fracciones

- para la separación de los compuestos aromáticos.

Separación de BTX

- En plantas petroquímicas, por ejemplo en la producción de etileno. El etileno se produce principalmente por craqueo con vapor de naftas, etileno o GLP y es necesario efectuar una destilación para la obtención del producto final.

Planta productora de etileno

Otras áreas en las que se emplea la destilación son:

- Plantas productoras de bebidas alcohólicas (destilerías)

- Plantas que procesan gas natural

- Obtención de aceites esenciales a partir de materias aromáticas.