Columna de Destilación

Transferencia de masa 1, 2016-II

DISEÑO DE COLUMNA DE DESTILACIÓN PARA SISTEMA BINARIO Agámez Salgado Karen Patricia [1], Aguilar Imitola Wendy Gisella [1], Aristizabal Soto Cristian Camilo [1], Briceño Gómez Karilyn Andrea [1], Suárez Useche María Alejandra [1] Estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico Transferencia de masa I 2016, II

RESUMEN

Palabras claves:

1. INTRODUCCIÓN

2. MARCO TEÓRICO 2.1. Destilación La destilación, en su forma más simple, es la separación por vaporación de los componentes de una solución que resulta de una diferencia de volatilidad de los componentes, ésta constituye el método más frecuente e importante para la purificación de líquidos y se utiliza siempre para la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando es posible, en la separación de dos o más líquidos. La destilación de múltiples etapas, puede llevarse a cabo en una columna de pared mojada, la cual consta de un cilindro vertical por el cual fluyen en contracorriente líquido y vapor; la transferencia de masa en este tipo de columnas es muy limitada debido a la restringida superficie que recorren los fluidos. Una forma de obtener una gran transferencia de masa consiste en llevar a cabo la destilación en una torre llena de cuerpos pequeños (empaque) que permiten el contacto continuo e íntimo entre el líquido y su vapor, al desplazarse a través de la misma corriente. En la práctica se utilizan gran variedad de materiales para empacar torres, dentro de los rellenos más conocidos se tienen: anillos rashing, anillos lessing, anillos de partición, empaque tipo silla o silla intalox y el empaque estructurado. 2.2. Torres de Destilación Una torre de destilación consiste en una estructura cerrada en la cual se lleva a cabo la separación física de mezclas liquidas en dos o más fracciones. La separación se logra sometiendo el fluido a lo largo de la torre a condiciones específicas de presión y temperatura, de este modo se busca que las fracciones a separar se encuentren en estados diferentes. La fracción más pesada 1

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correspondiente al estado líquido baja por gravedad, mientras que la fracción más liviana en estado gaseoso sube y se condensa en la parte superior. De esta manera se logra un intercambio efectivo entre ambas fases.

Figura 2.2.1. Principio de operación para torre de destilación

Este mecanismo de transferencia se optimiza cuando se maximiza la superficie de contacto entre ambas fases. Para las torres de destilación esto se logra mediante dos tipos de estructuras mecánicas básicas: estructura de platos y las estructuras de empaques. Es posible encontrar inclusive ambos tipos de estructura en una misma columna dependiendo de su diseño. 2.2.1. Torres de Platos Los platos son superficies planas que dividen la columna en una serie de etapas y que tiene por objeto retener cierta cantidad del líquido en la superficie, mientras este desciende por la torre a través de rebosadero situados en el extremo de los platos. El gas se desplaza en la dirección contraria es decir hacia arriba y pasa de un planto a la región del plato inmediato superior por medio de unos ductos ubicados en la parte activa de los mismos donde se realiza el contacto entre el líquido que baja y el gas que sube.

Figura 2.2.1.1. Funcionamiento básico para torre de platos

Según la forma del dispositivo que permite el paso del vapor a través del líquido, se distingue entre platos perforados, platos de campana y platos de válvulas. En los platos no se llega a 2

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alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor que abandona el plato, lo cual quiere decir que la eficiencia no es 100. Un plato ideal o teórico es aquel en el que se alcanza el equilibrio entre las corrientes que salen del plato. 2.2.2. Torres de relleno o empacadas Las torres empacadas, son torres de relación diámetro- altura normalmente baja, llenas en su interior con zonas de empaque. Una zona de empaque está compuesta por un agregado de pequeños elementos de empaque que pueden ser metálicos, cerámicos o plásticos y que se acumulan en una región de la torre donde cumplen la función de maximizar el contacto entre el líquido que baja y el gas que sube, ya que suelen ser inertes a las fases circulantes. La corriente del líquido al caer sobre ellos se rompe en pequeñas corrientes y se pone en contacto íntimo con el vapor que circula en el sentido contrario.

Figura 2.2.2.1. Torre empacada y tipos de relleno empelados.

Las torres empacadas se usan generalmente en procesos de destilación al vacío, donde se requieren bajas diferencias de presión. Esta acumulación de las pequeñas estructuras en la zona del empaque puede ser ordenada o desordenada dependiendo de la función que deba cumplir la torre. Hay muchos tipos de empaques o rellenos comerciales y como características primordiales se busca que tengan una elevada área superficial por unidad de volumen, poco peso, buena resistencia mecánica y que los elementos no se compacten entre sí. En general para las torres de destilación la parte que se sitúa por arriba de la entrada de alimentación recibe el nombre de sección de rectificación y la parte situada por deja de la misma se conoce como sección de agotamiento. Las torres de destilación están constituidas por tres equipos integrados; un generador de vapor (rehervidor o calderín), un elemento que pone en contacto vapor y liquido (columna de platos o empacada), y un condensador que se encargué de cambiar el calor enfriado por agua o por un refrigerante. 2.3. Tipos de Empaque Los empaques pueden ser divididos en tres clases:

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a. Empaques desordenados o rellenos: Son unidades o piezas discretas de empaques con una forma geométrica específica, los cuales son vaciados o rellenados aleatoriamente dentro de la columna. b. Empaque estructurado o sistemáticamente arreglado: Está constituido por capas onduladas de malla tejida (wire mesh) u hojas corrugadas. Este empaque es apilado ordenadamente en secciones dentro de la columna. c. Rejillas: Son también empaques estructurados, pero en vez de malla tejida u hojas corrugadas están constituidas por una estructura reticular abierta. 2.3.1. Empaques Estructurados Pueden ser divididos por generaciones. La primera generación son rara vez utilizados en la actualidad. La segunda generación comenzó con los empaques de malla tejida (“wire mesh”) de alta eficiencia tales como Hyperfil de Goodloe y los empaques Koch–Sulzer de malla tejida. La tercera generación comenzó con los empaques de hoja corrugada, primeramente introducidos por Sulzer, los cuales presentan una alta capacidad, menor costo y alta eficiencia.

Figura 2.3.1.1. Ilustración de un empaque estructurado para una columna de relleno.

2.3.2. Empaques Desordenados Este tipo de relleno son los de uso más común en la práctica comercial. Históricamente pueden ser divididos en tres generaciones. La primera generación produjo dos tipos básicos de formas simples, el Anillo Rasching (a) y la Silla Berl (b), los cuales se han vuelto obsoletos con el paso del tiempo y rara vez son usados en la práctica moderna de destilación. La segunda generación produjo dos geometrías muy populares, el Anillo Pall (f), el cual evolucionó del anillo Rasching y la Silla Intalox (c), la cual evolucionó de la silla Berl. La tercera generación ha producido una multitud de gerometrías comerciales, la mayoría de las cuales evolucionaron de los anillos Pall y sillas Intalox.

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Figura 2.3.2.1. Ilustraciones de los distintos tipos de empaques presentes en las tres generaciones de relleno desordenado.

Este tipo de empaques pueden seleccionarse en distintos tipos de materiales, entre los principales se encuentran: a. Metales: Los empaques de acero al carbono son considerados como la primera alternativa en la mayoría de los casos cuando la corrosión no representa un problema. No se deberían usar empaques metálicos cuando la velocidad de corrosión sea mayor a 0,25 mm/año. b. Cerámica: Estos son especificados solo cuando se requiera una gran resistencia al ataque químico y altas temperaturas. c. Plástico: Debido a sus bajos costos el polipropilenos es el pástico más utilizado cuando las temperaturas de operación no exceden los 120°C. Este tipo de material es frágil a la luz ultravioleta a temperaturas muy bajas. 2.3.3. Diferencias entre Empaques Desordenados y Empaques Estructurados Capacidad y Eficiencia: Los empaques estructurados muestran ventajas en capacidad y eficiencia comparados con empaques desordenados. Caída de presión por etapa teórica: Los empaques estructurados tienen una considerable menor caída de presión por etapa teórica que los empaques desordenados. Inventario de líquido: En aquellas aplicaciones donde se necesite reducir el inventario líquido, se debería preferir el uso de empaques estructurados. Sensibilidad a problemas operacionales: Los empaques estructurados pueden absorber mejor que los empaques desordenados ya sean incrementos súbitos de presión. Mantenimiento: Es mucho más fácil inspeccionar un empaque desordenado, ya que inspeccionar dentro de un bloque de empaque estructurado puede dañar el empaque. Costo: Los empaques estructurados cuestan de 3 a 10 veces más por unidad de volumen que los empaque desordenados de 2 pulgadas.

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2.4. Funcionamiento El aparato utilizado en la actualidad en la destilación continua está constituido por tres equipos integrados: un generador de vapor, rehervidor o calderín, un elemento que pone en contacto vapor y líquido, columna de platos o empacada, y un condensador, que es un cambiador de calor enfriado por agua o por un refrigerante.

Figura 2.4.1. Esquema de funcionamiento para una torre de destilación.

La rectificación o destilación continua, con etapas y con reflujo puede considerarse, de forma simplificada, como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de evaporaciones y condensaciones. Estos fenómenos se llevan a cabo en los platos o charolas de la columna de destilación. Para ello el líquido de cada etapa fluye por gravedad a la etapa inferior y el vapor de cada etapa lo hace hacia arriba, a la etapa superior. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de vapor (V) y una corriente líquido (L), las que se mezclan para transferir masa y tratar de alcanzar el equilibrio. No es posible lograr que las corrientes que salen de una etapa estén en equilibrio, de allí que se hable de eficiencia, que es una medida del acercamiento al equilibrio. Los platos reales de una columna tienen eficiencias menores del 100%. Al mezclarse el líquido con el vapor, este último tenderá a ponerse en equilibrio con el primero, condensándose parte del componente menos volátil y evaporándose el más volátil. Como el proceso consiste en poner en contacto vapor con líquido y la columna no le entra más que la alimentación, el vapor se genera evaporando parte del residuo o fondos, y el líquido, retornando a la columna parte del destilado. La energía para que la torre funcione es proporcionada por el calor que se introduce en el rehervidor, el cual causa la evaporación de parte del líquido que llega a éste. La corriente de vapor, asciende por la torre condensándose en el enfriador y una parte de ese líquido se regresa – refluja – hacia la columna y otra parte se extrae del domo como destilado o producto.

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2.5. Parámetros a tener en cuenta en el Diseño de Torres Empacadas El diseño de una torre de destilación es necesario tener en cuenta ciertos parámetros, en especial cuando se deseas construir una torre con algún tipo de relleno, a continuación se explican los parámetros más importantes para el diseño. 2.5.1. Altura de la torre (HETP) El único método que se considera apropiado para determinar la altura requerida del empaque es el de altura equivalente a una tapa teoría (HETP). Existen otros métodos tales como el de altura de una unidad de transferencia (NTU), siendo este mucho más complejo y difícil de usar, adicionalmente se dice que es bastante impreciso si se le compara con el método de HETP. HETP para empaques desordenados: Debido a que son pocas las variables que afectan significativamente el valor del HETP, las reglas empíricas pueden ser usadas con mucha confiabilidad. Para empaques desordenados suele usarse la siguiente relación. HETP pies1,5 d p pulg

[1]

La ecuación [1], es empleada para anillos pall, o empaques similares de alta eficiencia. También debe cumplirse que HETP ≥ DT (diámetro de la torre); donde DT debe ser menos a 2 pies. En columnas de alto vacio (< 0.15 bar), y donde hay problemas de mala irrigación, estas reglas son bastante precisas, por lo que algunos autores han recomendado sumas (6 pulg) a los valores anteriores debido a la reducida eficiencia de irrigación que se puede presentar en algunos casos. HETP para empaques estructurados: Para los empaques estructurados, suele seguirse la siguiente relación. HETP pulg

1200 4 a p ft 3 ft 2

[2]

De la ecuación [2], es preciso eliminar la constante (4), cuando el ángulo de las ondulaciones es de (45◦). Por lo general la interpolación de datos experimentales es el método más confiable para obtener una altura equivalente a una tapa teórica HETP de diseño, y posteriormente estos datos deben ser comparados con las reglas empíricas y sus ecuaciones. 2.5.2. Otros parámetros a considerar para el diseño  Diámetro: la razón del diámetro de columna a diámetro de empaque debe ser idealmente 30-35X (anillos rasching), 15X (sillas de montar cerámicas), 10X (sillas de montar o anillos plásticos). 7

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Tamaño y tipo de empaque: Generalmente la eficiencia de un empaque aumenta cuando el tamaño del elemento del empaque disminuye (empaque desordenado) o el tamaño del canal se hace más pequeño (empaque estructurado).  Carga liquido/vapor: para una operación estable con una relación L/V generalmente se debe tener en cuenta que estas tienen poco efecto en el HETP de un empaque desordenado, mientras que en empaques estructurados la eficiencia disminuye con la carga; este efecto es menos pronunciado en empaques estructurados tipo mala tejida y con menos pronunciado en las hojas corrugadas.  Distribución: tano una mala distribución de liquido como de vapor causan una disminución grande en la eficiencia de los empaques.  Presión: generalmente la presión tiene poco efecto en la eficiencia de los empaques al menos por encima de presiones de (0.07-0.14 bar). En destilación a alta presión (>14.20bar) se ha observado que la eficiencia de los empaques estructurados disminuye con un aumento de presión.  Propiedades físicas: la eficiencia de un empaque es relativamente insensible a las propiedades del sistema. Sin embargo, para los sistemas acuosos, la eficiencia de un empaque estructurado tiende a ser menor que para sistemas no acuosos. 2.6. Distribuidores El buen funcionamiento de una torre empacada depende no solo del tipo de empaque usado, sino también del diseño efectivo de los internos de la torre. Una distribución adecuada del líquido y el vapor ayuda a proveer el contacto necesario líquido/vapor para obtener la máxima eficiencia del empaque. 2.6.1. Distribución de Líquido Los tipos más comunes de distribuidores de líquido comerciales se muestran en la Figura 2.6.1.1. Los distribuidores de líquido son usualmente clasificados en distribuidores a presión y distribuidores por gravedad. En general los distribuidores a presión, proporcionan mayor área abierta para un flujo de vapor dado y tienden a ser menos caros, más livianos, menos robustos y requerir menos tubería conductora que los distribuidores por gravedad.

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Figura 2.6.1.1. Distribuidores de líquido más comunes. A) Distribuidor de tubos escalonados; B) Distribuidor anillo perforado; C) Distribuidos spray; D) Distribuidor de bandeja de orificios; E) Distribuidor de túnel de orificios; F) Distribuidor de ranuras; G) Distribuidor de elevador y vertedero

a. Distribuidores de tubería perforada: Son usualmente del tipo escalera o anillo perforado. Las perforaciones son hechas en el lado inferior de la tubería. El de tipo escalera es usualmente el más fácil de fabricar, y es por lo tanto menos costoso que el de anillo perforado. b. Distribuidores tipo boquillas rociadoras: Son cabezales de tuberías equipados con boquillas rociadoras en la parte inferior de los tubos. Son más usados en servicios de transferencia de calor y de lavado, y con muy poca frecuencia en fraccionamiento. Los servicios donde estos distribuidores son frecuentes incluyentes; columnas de crudo en refinerías, torres de vacío en refinerías, columnas muy pequeñas y aplicaciones donde se desee una gran capacidad de manejo de vapor. c. Distribuidores tipo orificio: Son usualmente del tipo bandeja o del tipo túnel. El primer es el más adecuado para torres de pequeño diámetro (1200 mm). Estos distribuidores son capaces de manejar altas cargas de líquido, son más caros, más grandes, consumen mayor espacio vertical y son más difíciles de soportar que la mayoría de los demás distribuidores. d. Distribuidores tipo vertedero: Son usualmente de tipo vertedero elevador o del tipo bandeja con perforaciones en “V”. El primer tipo es usado comúnmente en columnas de pequeño diámetro (