Columna de Fraccionamiento

Columna de fraccionamiento Una columna de fraccionamiento, también llamada columna de platos o columna de platillos, es un aparato que permite realizar una destilación fraccionada. fraccionada. Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación sencilla y continua. La destilación fraccionad f raccionada a es una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos.

Índice [ocultar ]

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1 Fundamento teórico

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2 Clases

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3 Diseño

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4 Aplicación

Fundamento teórico [editar ] El fundamento teórico del proceso consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a un vapor  vapor más más rico que la mezcla en el componente más volátil (destilación simple) simple).

El vapor  vapor pasa pasa a la parte superior de la columna donde condensa condensa.. Como la temperatura temperaturas sigue aumentando, a su vez este condensado se calienta dando lugar a un vapor  vapor aún aún más rico en el componen componente te más volátil (más ligero, de menor punto menor punto de ebullición)), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilación simple). De la misma ebullición forma el líquidocondensado líquidocondensado de cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna, haciéndose cada vez más rico en el componente menos volátil. Esto tiene como consecuencia una serie completa de evaporaciones y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. fraccionamien to. Estos ciclos de evaporación evaporación--condensación equivalen a múltiples destilaciones simples, simples, por lo que la destilación fraccionada es mucho más eficiente que la simple, y permite separar incluso líquidos de puntos de ebullición parecidos.

Clases[editar ] La columna de fraccionamiento puede ser tanto un aparato de laboratorio como una instalación industrial propia de la ingeniería química o ingeniería 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 está rellena de un material que asegure el máximo contacto entre la fase líquida y la fase de vapor, como bolitas de vidrio, trozos de tubo de vidrio o similares. En el caso de una instalación industrial la columna está formada por una serie de platos, cada uno de ellos atravesado por un tubo que permite el ascenso del vapor  vapor desde desde el plato inferior, pero rematado por una cazoleta invertida que obliga al vapor a borbotear sobre el líquido contenido en el plato. Así se asegura el contacto entre el líquido líquidocondensado condensado en el plato y el vapor  vapor que que ha hervido en el plato inferior. Aquí todos los componentes son habitualmente metálicos.

Diseño[editar ] El número de etapas o de platos necesario para una determinada separación se puede calcular teóricamente, ya que no es más que la combinación de una serie de destilaciones simples. En la práctica el número de platos reales necesarios es siempre superior al de platos teóricos calculados calculados.. De la misma manera en función del resultado buscado se diseñan el diámetro de la columna, el tipo de relleno o de platos, etc. La eficiencia de la separación depende de múltiples factores como la diferencia de puntos de ebullición de los componentes de la mezcla, la presión a la que se trabaje y otros parámetros fisicoquímicos de los componen componentes. tes.

 Aplicación[editar ] La principal aplicación en el laboratorio es la separación de sustancias de puntos de ebullición próximos. Y el principal uso industrial, con mucha mayor importancia que cualquier otro, es la destilación fraccionada del petróleo o del gas natural. En el caso de este último, 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 acompañado.

La destilación continua es un proceso de separación en curso en la que una mezcla líquida de dos o más componentes miscibles se alimenta de forma continua en el proceso y separado físicamente en dos o más productos por ebullición preferentemente los componentes ( es decir , de punto de ebullición más bajo ) más volátiles de la mezcla . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

A gran escala , la destilación continua es muy utilizado en las industrias de proceso químico, cuando grandes cantidades de líquidos tienen que ser destilada , como en la refinación de petróleo , procesamiento de gas natural, la producción petroquímica , la producción de solventes de hidrocarburos , procesamiento de alquitrán de hulla, la licuación de gases, como hidrógeno , oxígeno, nitrógeno , y helio ) , y otro procesamiento de baja temperatura .

Destilación industrial se realiza típicamente en grandes columnas cilíndricas verticales ( ver las fotografías adyacentes ) comúnmente conocida como columnas de destilación , torres de destilación o fraccionadores con diámetros que varían de aproximadamente 65 centímetros a 11 metros y alturas que varían de aproximadamente 6 metros a 60 metros o más .

Para proporcionar para la mezcla íntima del vapor que fluye hacia arriba y hacia abajo que fluye líquido en columnas de destilación , las columnas por lo general contienen una serie de bandejas de destilación horizontales o placas ( véase la Figura 3 ) . Las bandejas o platos de destilación son típicamente separados por unos 45 a 75 centímetros de distancia vertical . Sin embargo , algunas columnas están diseñados para utilizar camas de medios de embalaje en lugar de bandejas o placas .

La destilación es una de las operaciones unitarias fundamentales de la ingeniería química . Si la alimentación contiene más de dos componentes , que se conoce comúnmente como destilación multi- componente y , si contiene sólo dos componentes , que se conoce como destilación binaria .

Si la alimentación de la columna de destilación contiene un número muy grande de componentes ( tal como es el caso en la destilación de petróleo crudo de petróleo ) , la separación en componentes puros es poco práctico y por lo tanto tales columnas están diseñadas para producir fracciones que son grupos de componentes dentro de un intervalo deseado de puntos de ebullición . Las fracciones son probablemente el origen de los términos destilación fraccionada y fraccionamiento .

Hay un número de otras formas de destilación , tales como destilación a vacío , destilación por lotes , la destilación al vapor , destilación extractiva y la destilación azeotrópica que no están incluidos en este artículo .

contenido

[ ocultar ] 1 El proceso 2 Breve historia 3 Diseño y funcionamiento 3.1 alimentación de la columna 3.2 Sistema Overhead 3.3 Las placas o bandejas 3.4 Almuerzos medios 3.5 reflujo 3.6 La destilación continua de petróleo crudo 4 Referencias El proceso

Cuando una mezcla líquida se calienta de manera que se reduce , el vapor evolucionado tendrá una mayor concentración de los componentes más volátiles (es decir , el punto de ebullición más bajo) que la mezcla líquida a partir del cual evolucionó. A la inversa , cuando se enfría una mezcla de vapor , los componentes menos volátiles tienden a condensarse en una mayor proporción que los componentes más volátiles .

(PD ) Imagen: MiltonBeychok

Figura 1 : Diagrama esquemático de una columna de destilación binaria continua . La Figura 1 ilustra esquemáticamente lo que sucede en una columna de destilación . Una mezcla líquida se alimenta a la columna de destilación . Al entrar en la columna , la alimentación calentada es parcialmente vaporizado y sube por la columna. Sin embargo , a medida que sube , que se enfría por contacto con el líquido descendente más fresco y parcialmente se condensa de manera que , mientras que parte del vapor continúa fluyendo hacia arriba , la porción condensada se enriquece en el componente menos volátil ( s ) y fluye hacia abajo . Como el vapor continúa fluyendo hacia arriba , se somete a condensación parcial de un número de veces y cada vez se vuelve más rico en el componente más volátil ( s ) .

La parte del líquido de alimentación que no se vaporiza al entrar en la columna , fluye hacia abajo y se calienta por contacto con el que fluye hacia arriba el vapor caliente hasta que se vaporiza parcialmente . El vapor resultante fluye hacia arriba y el líquido residual se enriquece en el componente menos volátil ( s ) y fluye hacia abajo . A medida que el líquido continúa fluyendo hacia abajo , se somete a vaporización parcial de un número de veces y cada vez se vuelve más rico en el componente menos volátil ( s ) .

Los platos de destilación de la columna están diseñados para facilitar el contacto íntimo de vapor que fluye hacia arriba con un chorro de líquido hacia abajo ( ver Figura 3 ) .

El vapor de cabeza que sale de la parte superior de la columna es rico en el componente más volátil ( s ) de la alimentación de la columna y el líquido de fondo que sale de la parte inferior de la columna es rico en el componente menos volátil ( s ) de la alimentación de la columna .

( Nota : En la terminología de destilación , cuando una mezcla de líquido o vapor alcanza una concentración más alta de algún componente , que se conoce como su enriquecimiento , rico o más rico en ese componente También , los componentes más volátiles se llaman los componentes más ligeros y menos . componentes volátiles se llaman los componentes más pesados . )

El calor es necesario para proporcionar las múltiples ocurrencias de vaporización parcial en una columna de destilación . El calor necesario se aplica a la parte i nferior de una columna de destilación en un número de maneras , siendo la más común la transferencia de calor de un intercambiador de calor .

Del mismo modo , se requiere de refrigeración para proporcionar las múltiples ocurrencias de condensación parcial que también se producen en una columna de destilación . El

enfriamiento requerido está más generalmente proporcionado por un condensador usado para enfriar y condensar el vapor de cabeza en un líquido y luego regresar parte del líquido condensado fresco a la parte superior de la columna como reflujo .

El condensador de cabeza puede ser o refrigerados por aire , refrigerado por agua . Los fondos de vapor de fondo puede ser un intercambiador de calor calentado por vapor o aceite caliente, o podría ser un horno que quema combustible. La ubicación de la entrada de alimentación puede variar de un diseño a otro y se selecciona para proporcionar resultados óptimos ( véase el método de McCabe- Thiele ) .

Una columna de destilación continua se mantiene en un estado o aproximada el estado de equilibrio estacionario. En el contexto de destilación continua , lo que significa que la velocidad de avance , las tasas de productos de salida, velocidad de reflujo , de calentamiento y enfriamiento , temperaturas , presiones y composiciones en cada punto dentro de la columna son esencialmente mantuvieron constantes durante el funcionamiento. También significa que la columna es equilibrada y material ( es decir , las entradas de material son iguales a las salidas de material , y las entradas de calor son iguales a las salidas de calor ) equilibrada de calor - . Si una variación en las condiciones ocurre, el equipo de control de procesos moderna suele ser capaz de volver gradualmente el sistema a un estado de equilibrio de nuevo.

Breve historia

La destilación es un arte antiguo que se ha practicado durante miles de años , muy a menudo para la concentración del contenido alcohólico de las bebidas . [ 1 ] [ 5 ]

La primera columna vertical de destilación continua , utilizado en las destilerías de alcohol y conocida como la patente todavía , fue desarrollado en 1813 y patentado por un francés, Jean -Baptiste Cellier Blumenthal . En 1822 , Anthony Perrier de Inglaterra desarrolló una primera versión de la bandeja de burbujeo . Medios de cobertura (2-3 cm bolas de vidrio) ya habían sido utilizados por Nicolas Clément de Francia en un alcohol todavía se refiere como un absorbante colonne y chimique cascada .

En 1831 , después de una carrera como inspector de los impuestos especiales en Escocia, Aneas Coffey (nacido en Francia y educado en Irlanda) desarrolló la primera columna de platos perforados conocida como Coffey aún que posteriormente fue utilizado muy ampliamente en las destilerías de whisky escocesas.

El primer libro sobre los fundamentos de la destilación , La Rectificación de l' alcool fue escrito por Ernest Sorel en 1893.

Durante el primer cuarto del siglo XX , el uso de destilación continua se expandió de destilerías de alcohol para convertirse en un proceso de separación importante en la industria química. Una vez que se reconoció como un método eficaz para la separación de petróleo crudo de petróleo en productos útiles , el uso de destilación continua se aceleró aún más .

Diseño y funcionamiento

(PD ) Imagen: Milton Beychok Figura 2 : Diagrama esquemático de una columna de destilación fraccionada de múltiples componentes . El diseño de una columna de destilación depende de la composición y la condición térmica de la alimentación , así como la composición de los productos deseados . El método de McCabe-

Thiele y la ecuación de Fenske se pueden utilizar para diseñar una columna de destilación binaria sencilla ( como en la Figura 1 ) .

Para diseñar una columna para la destilación de una alimentación de múltiples componentes para proporcionar más de dos destilados de productos ( como en la Figura 2 ) , modelos de simulación informatizados pueden ser utilizados para el diseño, así como para el funcionamiento en línea posterior de la columna .

Modelos de simulación computarizados se utilizan también para determinar si es posible ajustar el funcionamiento de las columnas existentes para la destilación de com posiciones alimenticias que son algo diferente de la composición alimenticia para que la columna fue diseñado originalmente .

Muchos usos industriales de destilación continua funcionan 24 horas al día durante todo el tiempo como 2-5 años entre , paradas programadas de mantenimiento de rutina. El control operacional de una columna de destilación se puede realizar por los sistemas informáticos de control avanzadas , pero aún se requieren trabajadores altamente experimentados para supervisar las operaciones en tiempo real en línea y proporcionar el mantenimiento de rutina diaria , según sea necesario .

alimentación de la columna

El modo de alimentación de una columna continua depende de la presión de la columna y la presión de la fuente de alimentación . Si la alimentación es de una fuente a una presión suficientemente mayor que la presión de la columna , que puede ser simplemente canaliza en la columna en el punto de entrada de alimentación designada . Una alimentación de líquido de una fuente a una presión menor que la columna tiene que ser bombeada a la columna , y una alimentación de gas de una fuente a una presión menor que la columna debe ser comprimido a una presión más alta antes de entrar en la columna .

La alimentación puede ser un vapor sobrecalentado , vapor saturado , una mezcla líquidovapor parcialmente vaporizado , un líquido saturado o un líquido sub-enfriado - . Si el al imento es un líquido saturado a una presión mayor que la presión de la columna y fluye a través de una válvula justo antes de entrar en la columna , que se someterá a una vaporización instantánea ( también conocido como un flash de equilibrio o una expansión de estrangulación ) resultante de una mezcla líquido-vapor ya que entra en la columna .

sistema del techo

Las figuras 1 y 2 se basan en la suposición de que el vapor de cabeza de una columna de destilación se enfría y se condensa totalmente en agua o un condensador refrigerado por aire . Sin embargo , en muchos casos , la torre encima de la cabeza no puede ser totalmente condensado con un aire típico o condensador refrigerado por agua y por lo tanto el tambor de reflujo debe incluir un orificio de ventilación de gas para el va por no condensado .

En aún otros casos , la corriente de cabeza puede incluir también vapor de agua , ya sea porque la alimentación contiene un poco de agua o porque algo de vapor se inyecta en la columna de destilación (que es el caso con las torres de destilación de petróleo crudo en las refinerías de petróleo , que se muestra en la Figura 4 ) . En esos casos , si el producto destilado de cabeza es inmiscible en agua , el tambor de reflujo puede contener una fase condensada líquido destilado , una fase de agua condensada y una fase de gas no condensable , lo que hace necesario que el tambor de reflujo también tiene una separación de agua sección ( como se muestra en la Figura 4 ) .

(CC ) de la imagen: Henry Padleckas Figura 3 : Una columna de destilación con bandejas de campanas . Las placas o bandejas

Las columnas de destilación (como en las Figuras 1 y 2 ) utilizar diversos métodos Comunicación con vapor y líquidos para proporcionar el número requerido de etapas de equilibrio teóricas . Tales dispositivos son conocidos comúnmente como "placas" o " bandejas ".[6]

Cada una de estas placas o bandejas es a una temperatura y presión diferente . El escenario en el fondo de la torre tiene la mayor presión y temperatura. Progresando hacia arriba en la torre , la presión y la temperatura disminuye para cada etapa sucesiva . El equilibrio vapor -líquido para cada componente de alimentación en la torre se ajusta a las diferentes condiciones de presión y temperatura en cada una de las etapas . Esto significa que cada componente establece una concentración diferente en las fases vapor y líquido en cada una de las etapas , y esto resulta en la separación de los componentes .

Algunas bandejas de ejemplo se representan en la Figura 3 . Una , una imagen más detallada ampliada de dos bandejas se puede ver en el artículo bandeja teórica . El calderín a menudo actúa como una etapa de equilibrio teórico adicional .

Si cada bandeja física o placa eran 100 % eficiente , a continuación, el número de bandejas físicas necesarias para una separación dada será igual al número de etapas de equilibrio teóricas o platos teóricos . Sin embargo , esto es raramente el caso. Por lo tanto , una columna de destilación necesita placas más real que el número requerido de etapas de equilibrio líquido-vapor teóricas .

La capacidad , eficacia y caída de presión se han determinado experimentalmente de varios tipos de bandejas utilizados en la destilación de sistemas de hidrocarburos que operan a presiones que van desde el vacío a una presión absoluta de 35 bar . [ 7 ] .

Almuerzos medios

Otra forma de proporcionar para la puesta en contacto íntimo de vapor y líquido en una columna de destilación es utilizar un material de embalaje en lugar de bandejas . Estos ofrecen

la ventaja de una menor caída de presión a través de la columna ( en comparación con placas o bandejas ) que es beneficioso cuando se opera bajo vacío . Si una torre de destilación utiliza el embalaje en lugar de bandejas , el número de etapas de equilibrio teóricas necesarias se determina primero y luego la altura de relleno equivalente a una etapa de equilibrio teórico , conocida como la altura equivalente a un plato teórico ( HETP ) , también se determina . La altura total del empaque requerido es el número de etapas teóricas multiplicado por el HETP .

El material de relleno puede ser aleatorias objeto de dumping de embalaje tales como anillos Raschig o chapa estructurada. Los líquidos tienden a mojar la superficie de la empaquetadura y los vapores pasan a través de esta superficie mojada , donde el vapor y el contacto con el líquido se lleva a cabo . Envases con formas diferentes tienen diferentes áreas de superficie y los espacios vacíos entre los envases . Ambos de estos factores afectan el rendimiento de embalaje .

Otro factor que afecta el rendimiento de relleno aleatorio o estructurado es líquido y la distribución de vapor que entra en el lecho de relleno . El número de etapas de equilibrio teóricas requeridas para hacer una separación dada se calcula usando un vapor específico para relación líquido . Si el líquido y el vapor no se distribuyen de manera uniforme en toda la zona de la torre superficial que entra en el lecho de relleno , el líquido a vapor relación no será correcta en el lecho de relleno y no se consigue la separación necesaria . El problema no es el embalaje en sí, sino la mala distribución del líquido y vapor que entra en el lecho empacado . Liquid mala distribución es más frecuente el problema de vapor. El diseño de los distribuidores de líquidos utilizados para introducir la alimentación y el reflujo a un lecho de relleno es fundamental para hacer el embalaje realizar con la máxima eficiencia . Métodos de evaluación de la eficacia de un distribuidor de líquido se pueden encontrar en la literatura técnica . [ 8 ] [ 9 ] un trabajo considerable también se ha hecho sobre este tema por el Fraccionamiento Research, Inc. [ 10 ]

reflujo

Prácticamente todas las columnas industriales a gran escala utilizan reflujo para lograr una separación más eficiente de los productos . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido de cabeza condensada de una torre de destilación que se devuelve a la parte superior de la torre como se muestra en las figuras 1 y 2 . Dentro de la torre , el líquido de reflujo que fluye hacia abajo proporciona un enfriamiento y condensación parcial de los vapores que fluye hacia arriba , aumentando de este modo la eficacia de la torre de destilación . Cuanto más el reflujo que se proporciona , mejor es la separación de la torre de la ebullición más bajo de los componentes de mayor punto de ebullición de la alimentación. El saldo de calefacción con una caldera en la parte inferior de una columna y refrigeración por reflujo

condensada en la parte superior de la columna mantiene un gradiente de temperatura ( o diferencia de temperatura gradual ) a lo largo de la altura de la columna .

Cambio de la cantidad de reflujo puede mejorar la separación obtenida por una columna de destilación continua mientras está en funcionamiento . Esto está en contraste con la adición de placas o bandejas , o cambiando el embalaje , lo que en un mínimo requerir un cierre de operaciones y un período bastante significativa de tiempo de inactividad y pérdida de producción .

La destilación continua de petróleo crudo

Aceites crudos de petróleo contienen muchos cientos de compuestos de hidrocarburos diferentes : parafinas, naftenos y aromáticos , así como compuestos de azufre y de nitrógeno orgánico y un poco de oxígeno que contiene hidrocarburos, tales como fenoles . Aunque los aceites crudos generalmente no contienen olefinas , que se forman en muchos de los procesos utilizados en una refinería de petróleo . [ 11 ]

La destilación continua de petróleo crudo de petróleo ( comúnmente denominado fraccionamiento de petróleo crudo como ) es la primera unidad de procesamiento en prácticamente todas las refinerías de petróleo en todo el mundo . Es un ejemplo algo única de destilación , ya que no produce productos que tienen un único punto de ebullición . En lugar de ello , se produce fracciones que tienen intervalos de ebullición . [ 11 ] [ 12 ]

(PD ) Imagen: Milton Beychok Figura 4 : Diagrama esquemático de un fraccionador de petróleo crudo . Por ejemplo , un fraccionador de petróleo crudo produce una fracción de cabeza llamado naf ta que se convierte en un componente de la gasolina después de que se p rocesa adicionalmente a través de un hidrodesulfurador catalítica para eliminar el azufre y un reformador catalítico de reforma de sus moléculas de hidrocarburo en moléculas más complejas con un valor de índice de octano más alto.

El corte de nafta , ya que la fracción se denomina , contiene muchos compuestos de hidrocarburos diferentes . Por lo tanto, tiene un punto de ebullición inicial de alrededor de 35 ° C y un punto de ebullición final de aproximadamente 200 ° C. Cada corte producido en el fraccionador de petróleo crudo tiene un intervalo de ebullición diferente .

A cierta distancia por debajo de la cabeza , el próximo corte se retira del lado de la columna y por lo general es la de corte de combustible de chorro , también conocido como un queroseno . El intervalo de ebullición de corte que es desde un punto de ebullición inicial de aproximadamente 150 ° C a un punto de ebullición final de aproximadamente 270 ° C , y también contiene muchos hidrocarburos diferentes .

El siguiente corte más abajo en la torre es el corte de gasoil con un intervalo de ebullición de aproximadamente 180 ° C a aproximadamente 315 ° C ( no se muestra en la figura 4 por razones de brevedad ) . Los siguientes cortes hacia abajo la torre son la luz y el combustible pesado cortes de petróleo y, finalmente, el producto de los fondos .

Los intervalos de ebullición de dos cortes sucesivos se superponen porque las separaciones de destilación no son perfectamente afilada. Por lo general, todos los cortes de un fraccionador de petróleo crudo en una refinería de petróleo son objeto de transformación en los procesos de refinación posteriores .

Referencias

↑ 1,0 1,1 1,2 Kister , Henry Z. ( 1992 ) . Destilación de diseño, primera edición . McGraw -Hill. ISBN 0-07-034909-6 . ↑ 2,0 2,1 King, C. J. ( 1980 ) . Procesos de Separación . McGraw Hill. 0-07-034612-7 . ↑ 3,0 3,1 Perry, Robert H. y Green, Don W. ( 2007 ) . Chemical Engineers 'Handbook de Perry, 8 ª Edición . McGraw -Hill. ISBN 0 -07-142294-3 . ↑ McCabe , W. , Smith , J. y Harriott , P. ( 2004 ) . Operaciones Unitarias de Ingeniería Química , 7 ª edición . McGraw Hill. ISBN 0 -07-284823-5 . ↑ R.J. Forbes ( 1970 ) . Una breve historia del arte de la destilación de los comienzos hasta la muerte de Cellier Blumenthal, Primera edición ( Reproducido ) . E.J. Brill . ISBN 90-04-00617-6 . ↑ Fotografías de burbuja casquillo y otros tipos de bandeja ( Sitio web de Raschig GmbH) ↑ Fraccionamiento Research, Inc. ( AMI ) ↑ Embalaje aleatoria , de vapor y de distribución del líquido: líquido y la distribución de gas en las torres empacadas comerciales , Moore , F., Rukovena , F., Plants & Processing , Edición Europa, agosto de 1987, p Químicas. 11-15 ↑ relleno estructurado , distribución del líquido: Un nuevo método para evaluar la calidad del líquido distribuidor, Spiegel , L. , Ingeniería Química y Procesamiento de 45 ( 2 006 ) , p . 1011 1017 ↑ Almuerzos Distribuidores Tower: Experimentos de escala comercial que permiten conocer también en caminos de Distribuidores Tower , Kunesh , JG , Lahm , L. , Yanagi , T., Ind. Eng. . Chem . RES. , 1987 , vol . 26 , p . 1845-1850 Fraccionamiento Research, Inc. ( AMI ) (Haga click en "Publicaciones " y luego en "K")

↑ 11,0 11,1 Gary, J.H. y Handwerk , G.E. ( 1984 ) . Refinación de Petróleo Tecnología y Economía , 2 ª edición . Marcel Dekker , Inc. . ISBN 0-8247-7150-8 . ↑ Nelson, W.L. ( 1958 ) . Refinería de Petróleo Ingeniería, cuarta edición . McGraw Hill. LCCN 5701091

Columnas de fraccionamiento industriales La destilación fraccionada es una de las operaciones de la unidad de la ingeniería química . Columnas de fraccionamiento son ampliamente utilizados en las industrias de proceso químico, cuando grandes cantidades de líquidos tienen que ser destilada. Tales industrias son elpetróleo procesado, petroquímica producción, procesamiento de gas natural , alquitrán de hulla procesamiento, elaboración de la cerveza , aire licuado separación y de hidrocarburos de producción disolventes y industriesб similar pero que encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . En tales refinerías, la materia prima del petróleo crudo es una mezcla compleja, de múltiples componentes que deben ser separados, y no se espera que los rendimientos de los compuestos químicos puros, sólo los grupos de compuestos dentro de un rango relativamente pequeño de puntos de ebullición , también llamadosfracciones . Ese es el origen del nombre destilación fraccionada  ofraccionamiento . A menudo no vale la pena la separación de los componentes en estas fracciones cualquier basa además en los requisitos del producto y la economía. La destilación es uno de los procesos de separación más comunes y que consumen mucha energía. En una planta química típica, que representa alrededor del 40% del consumo energético total. Destilación industrial se realiza típicamente en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en la Figura 2) conocido como "torres de destilación" o "columnas de destilación" con diámetros que varían de aproximadamente 65 centímetros a 6 metros y alturas que varían de aproximadamente 6 metros a 60 metros o más.

Torres de destilación industriales suelen funcionar a un estado de equilibrio continuo. A menos perturbado por los cambios en la alimentación, el calor, la temperatura ambiente, o de condensación, la cantidad de alimentación que se añade normalmente es igual a la cantidad de producto que se retira.También hay que señalar que la cantidad de calor que entra en la

columna desde el intercambiador de calor y con la alimentación debe ser igual a la cantidad de calor eliminado por el condensador de cabeza y con los productos. El calor que entra en una columna de destilación es un parámetro de funcionamiento esencial, además del exceso de calor o insuficientes para la columna puede conducir a la formación de espuma, el llanto, el arrastre o las inundaciones. La figura 3 muestra una columna de fraccionamiento industrial separación de una corriente de alimentación en una fracción de destilado y uno fracción de fondos. Sin embargo, muchas columnas de fraccionamiento industrial tienen puntos de venta en los intervalos hasta la columna de manera que varios productos con diferentes intervalos de ebullición pueden ser retirados de una columna de destilación de una corriente de alimentación de múltiples componentes. Los productos "ligeros" con los puntos de ebullición más bajo de salida de la parte superior de las columnas y los productos más pesados "" con el más alto punto de ebullición de salida de la parte inferior. columnas de fraccionamiento industriales utilizan reflujo externo para lograr una mejor separación de los productos. El reflujo se refiere a la porción del producto de cabeza líquido condensado que devuelve a la parte superior de la columna de fraccionamiento, como se muestra en la Figura 3. Dentro de la columna, el líquido de reflujo flujo descendente proporciona un enfriamiento y condensación de vapores upflowing aumentando de este modo la eficacia de la torre de destilación . El más reflujo y / o más bandejas proporcionado, la mejor es la separación de la torre de materiales de punto de ebullición más bajos a partir de materiales de punto de ebullición más altos. El diseño y operación de una columna de fraccionamiento depende de la composición de la alimentación y, así como la composición de los productos deseados . Dado un componente de alimentación simple, binario, métodos analíticos tales como el  método de McCabe-Thiele o la ecuación de Fenske se pueden utilizar. Para una alimentación de varios componentes, se utilizan modelos de simulación, tanto para el diseño, operación y construcción. Bubble-Cap "bandejas" o "platos" son uno de los tipos de dispositivos físicos, que se utilizan para proporcionar un buen contacto entre el vapor que fluye hacia arriba y el líquido de flujo descendente dentro de una columna de fraccionamiento industrial.Tales bandejas se muestran en las Figuras 4 y 5. La eficiencia de una bandeja o placa es típicamente menor que la de una etapa de equilibrio eficiente 100% teórico. Por lo tanto, una columna de fraccionamiento casi siempre necesita placas más reales, físicas que el número requerido de teóricas de equilibrio vapor-líquido etapas.

En los usos industriales, a veces un material de embalaje se utiliza en la columna en lugar de bandejas, especialmente cuando baja la presión cae a través de la columna se requieren, como cuando se opera bajo vacío . Este material de embalaje puede ser aleatorias objeto de dumping embalaje (1-3 "de ancho) tal como anillo de Raschig s o lámina de metal estructurada . Los líquidos tienden a mojar la superficie de la empaquetadura, y los vapores pasan a través de esta superficie mojada, donde la transferencia de masa se lleva a cabo envases. diferentemente formados tienen diferentes áreas de superficie y el espacio vacío entre las empaquetaduras. Estos dos factores afectan el desempeño de embalaje.

Ver también        

La destilación azeotrópica Destilación por lotes La destilación continua La destilación extractiva Vajilla de laboratorio La destilación de vapor Plato teórico La destilación al vacío

Enlaces externos   

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El uso de columnas de destilación en Petróleo y Gas Más dibujos de objetos de vidrio que incluyen columnas Vigreux Destilación Teoría de Ivar J. Halvorsen y Sigurd Skogestad de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, Noruega Destilación, Introducción por Ming Tham, de la Universidad de Newcastle, Reino Unido Destilación por el Grupo de Destilación, EE.UU. Software de simulación de Destilación Destilación Fraccionada Explicación para estudiantes de secundaria

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211618/EXELARNING/leccion_51_destiladores.html

Generalidades Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos caso. Se trata de un cambio de estado, por lo general, de líquido a gas, y posterior condensación para obtenerlos generalmente en su estado líquido. En la industria alimentaria, la destilación ha sido y es utilizada para separar el alcohol de diversas frutas, granos, vinos y cervezas mayoritariamente sin embargo se obtiene por esta vía Aceites esenciales y gran cantidad de compuestos fuentes de sabores y aromas a bajo costo y con relativa rapidez. Una vez que la materia prima (frutas, cereales, y otros materiales ricos en carbohidratos) ha fermentado a partir de un licor rico en azucares se calienta hasta la temperatura ebullición de trabajo del destilador, y la correspondiente para la etapa específica a una determinada altura en el destilador de cada uno de los diferentes componentes de base del material fermentado, tales como agua, alcohol y aceites que por sus características tienen diferentes puntos de ebullición, lo cual constituye el fundamento de la destilación como operación de transferencia de masa para la separación de los componentes individuales de una mezcla líquida. El material destilado se recoge en recipientes para su ulterior purificación, mezcla o uso como producto final dependiendo de las características de calidad del obtenido en la destilación, cuidando que los producto cabeza y cola (elementos indeseables) están excluidos del producto principal como por ejemplo el alcohol etílico y sus productos de cabeza más volátiles como el metanol o de cola como alcoholes de alto peso molecular menos volátiles. Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente sal común), puede purificarse fácilmente evaporando el agua, y condensando después el vapor para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos, este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más importante el dióxido de carbono. Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, que

hierve a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones. En la mezcla simple de dos líquidos solubles entre sí, la volatilidad de cada uno es perturbada por la presencia del otro. En este caso, el punto de ebullición de una mezcla al 50%, por ejemplo, estaría a mitad de camino entre los puntos de ebullición de las sustancias puras, y el grado de separación producido por una destilación individual dependería solamente de la presión de vapor, o volatilidad de los componentes separados a esa temperatura. Esta sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francés François Marie Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se aplica a mezclas de líquidos muy similares en su estructura química, como el benceno y el tolueno. En la mayoría de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si un componente sólo es ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalmente. En el ejemplo anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa diluida es varias veces mayor que la predicha por la ley de Raoult. En disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviación es aún mayor: la destilación de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol. Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación más de un 97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones.

Figura 186 Destiladores

Clases de Destilación Ø Destilación fraccionada: Si se consigue que una parte del destilado vuelva del condensador y gotee por una larga columna a una serie de platos, y que al mismo tiempo el vapor que se dirige al condensador burbujee en el líquido de esos platos, el

vapor y el líquido interaccionarán de forma que parte del agua del vapor se condensará y parte del alcohol del líquido se evaporará. Así pues, la interacción en cada plato es equivalente a una redestilación, y construyendo una columna con el suficiente número de platos, se puede obtener alcohol de 95% en una operación individual. Además, introduciendo gradualmente la disolución original de 10% de alcohol en un punto en mitad de la columna, se podrá extraer prácticamente todo el alcohol del agua mientras desciende hasta la placa inferior, de forma que no se desperdicie nada de alcohol. Este proceso, conocido como rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en la industria alimentaria, no sólo para mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en los productos de fermentación, u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también para mezclas más complejas. La columna de fraccionamiento que se usa con más frecuencia es la llamada torre con caperuzas de burbujeo, en la que las platos están dispuestas horizontalmente, separadas unos centímetros, y los vapores ascendentes suben por unas caperuzas de burbujeo a cada plato, donde burbujean a través del líquido. Los platos están escalonados de forma que el líquido fluye de izquierda a derecha en una placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye de derecha a izquierda. La interacción entre el líquido y el vapor puede ser incompleta debido a que puede producirse espuma y arrastre de forma que parte del líquido sea transportado por el vapor a la placa superior. En este caso, pueden ser necesarios cinco platos para hacer el trabajo de cuatro platos teóricas, que realizan cuatro destilaciones. Un equivalente barato de la torre de burbujeo es la llamada columna apilada, en la que el líquido fluye hacia abajo sobre una pila de anillos cerámicos o retal de tuberías de vidrio. La única desventaja de la destilación fraccionada es que una gran fracción llamada el reflujo (más o menos la mitad) del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar más calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar el material que entra. Cuando la mezcla está formada por varios componentes, estos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las torres de destilación industrial para petróleo tienen a menudo 100 platos, con al menos diez fracciones diferentes que son extraídas en los puntos adecuados. Se han utilizado torres de más de 500 platos para separar isótopos por destilación. Ø Destilación por arrastre con vapor: Si dos líquidos insolubles se calientan, y si ninguno de los dos es afectado por la presencia del otro (mientras se les remueva para que el líquido más ligero no forme una capa impenetrable sobre el más pesado) y se evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad. Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que la de cada componente por separado. El porcentaje de cada componente en el vapor sólo depende de su presión de vapor a esa temperatura. Este principio puede aplicarse a sustancias que podrían verse perjudicadas por el exceso de calor si fueran destiladas en la forma habitual.

En este caso al contacto del material a destilas disminuye la presión parcial de cada componente y por lo tanto su temperatura de destilación, y por consiguiente se hace relativamente sencilla la destilación de los componentes Ø Destilación al vacío: Otro método para destilar sustancias a temperaturas por debajo de su punto normal de ebullición es evacuar parcialmente el alambique. Por ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 °C extrayendo el 93% del aire del alambique. Este método es tan efectivo como la destilación por arrate con vapor, pero más costoso. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia en una placa dentro de un espacio evacuado y se calienta. El condensador es una placa fría, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La mayoría del material pasa por el espacio entre los dos platos, y por lo tanto se pierde muy poco. Ø Destilación molecular centrífuga: Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz. Ø Sublimación: Si se destila una sustancia sólida, pasándola directamente a la fase de vapor y otra vez a la fase sólida sin que se forme un líquido en ningún momento, el proceso se llama sublimación. La sublimación no difiere de la destilación en ningún aspecto importante, excepto en el cuidado especial que se requiere para impedir que el sólido obstruya el aparato. La rectificación de dichos materiales es imposible. Ø Destilación destructiva: Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para la obtención del coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para la producción de carbón de leña, Acido Etanoico, la Propanona y el Metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo se asemeja a una destilación destructiva.

Equipos de destilación y su funcionamiento básico Las columnas de destilación están formadas por varios componentes, cada uno de los que se utiliza ya sea para transferir de energía o mejorar la transferencia de calor. Una destilación típica contiene varios componentes principales:

Figura 187 Operación de la columna de destilación

Ø Una Columna vertical, donde se realiza la separación de los componentes líquidos a través de los elementos internos de la columna, tales como bandejas/platos y/o empaques que se utilizan para mejorar la separación de los componentes Ø Una caldera para proporcionar el calor necesario para la evaporación en el proceso de destilación Ø Un condensador para enfriar y condensar el vapor que sale de la parte superior de la columna Ø Un taque de reflujo para mantener el vapor condensado que sale por la parte superior de la columna para que una parte del líquido (reflujo) pueda ser recirculado de nuevo a la columna; la otra sale a tanques de almacenamiento en forma de producto final de la destilación. Ø El rehervidor que puede ser un calderín a o un calentador dotado con calentamiento (Intercambiador de calor o resistencias Eléctricas) en la base de la columna, para calentar el líquido del fondo de la misma y retornarlo a la columna en forma de vapor Ø Un tanque separador de una parte de los productos de fondos de la columna no vaporizados para enviar el material allí producido a tanques de almacenamiento final. Un diagrama esquemático de una unidad de destilación típica con una solo alimentación (las columnas pueden tener más de una alimentación) y dos corrientes de producto se muestra a continuación: La columna como tal se divide en dos partes para efecto de la operación de la misma: ü La sección de Superior localizada desde el punto de alimentación de la mezcla a destilar en la torre hacia arriba, que junto con el condensador, y el reflujo forman la zona de Enriquecimiento o fraccionamiento dicha, caracterizada por un aumento paulatino en el componente más volátil de la mezcla hasta la cima de la columna. ü Sección Inferior, situada desde el punto de alimentación de la torre hacia el fondo,  junto con el re recirculación de fondos constituyen la zona de despojamiento

caracterizada por el empobrecimiento paulatino del componente más volátil de la mezcla a destilar

Operación de la columna de destilación ü Tipos de operación - Continuo, por lotes, al vacío, a presión ü Tipos de destilación - Sistemas ideales y no ideales - Separaciones binarias y multicomponentes ü Técnicas de destilación especial - azeotrópica - extractivas - Reactiva - Presión en vacio El aparato de destilación básico es el sistema de destilación que tiene tres partes: (1) Un Destilador con un tubo de salida, (2) Un condensador, y (3) Un recipiente de recolección del destilado.

Figura 188 Alambique básico de destilación

El diseño más antiguo y reconocido aún, es el destilador o Alambique de cobre que por lo general se asemeja a una forma de cebolla grande, que destila el alcohol de la mezcla fermentada.

Los vapores se elevan y pasan a través de un tubo estrecho y luego a través de un serpentín o condensador, inmerso en un baño de agua fría que por intercambio de calor con los gases dentro del serpentín, condensa los vapore en ellos, La forma en que la torre de destilación funciona consiste en la disminución progresiva de la temperatura desde la base hasta la cima. Todas las fracciones de la mezcla a destilar comienzan en forma de gaseosa en el fondo de la torre, los gases ascienden por la torre. La mezcla líquida que se va a procesar se conoce como la alimentación y su acceso a la torre de destilación se presenta por lo general en algún lugar cerca de la mitad de la columna en una bandeja conocida como la bandeja de alimentación. La bandeja de alimentación divide la columna en una tapa (enriquecimiento o rectificación) de sección y un fondo (stripping) sección. La alimentación corre hacia abajo por la columna pasando por cada plato en forma escalonada y rebosando por cada uno de ellos, y se acumula en su parte inferior poniéndose en contacto con el calderín o el sistema de calentamiento diseñado para el suministro de calor hasta su ebullición a la presión a la cual está sometido todo el sistema. La mezcla de gases se encuentra en su ascenso con el primer plato y fluye a través de las únicas aberturas situadas en la base de las caperuzas de burbujeo. La mezcla de gases se ve obligada entonces a pasar a través del la masa líquida ubicada sobre el plato antes de continuar hacia arriba.

Figura 189 Proceso de transferencia de masa en una Caperuza de Burbujeo

Las fases líquidas y vapor se ponen en contacto, una molécula del material de la vapor se convierte en fase líquida de mayor punto de ebullición liberando energía, otra molécula del material de bajo punto de ebullición utiliza la energía libre para la conversión de líquido a la fase de vapor El líquido en la primera bandeja está a una temperatura lo suficientemente fría como para obtener las fracciones más pesadas del gas las cuales se condensan en forma líquida, mientras que las fracciones más ligeras continúan hacia arriba en la torre en estado gaseoso, hacia el siguiente plato. De esta manera, las fracciones más pesadas de hidrocarburos se separan de la mezcla de gases. El gas restante continúa su viaje hacia la parte alta de la torre hasta llegar a otro plato.

 Aquí el proceso de transferencia de masa en la caperuza de burbujeo se repite, pero a una temperatura más baja que antes, permitiendo que continúen las fracciones más ligeras al siguiente palto. Este proceso continúa hasta que las fracciones más ligeras, permanecen en forma gaseosa y se recogen en la cima de la torre. La fuente de entrada de calor puede ser cualquier fluido adecuado, normalmente en la mayoría de las plantas es vapor. La fase de vapor de la mezcla de componentes que se genera en el rehervidor es reintroducido en la unidad en la parte inferior de la columna. El líquido eliminado de la caldera se conoce como el producto de fondo o simplemente el fondo.

Figura 190 Proceso operativo en el fondo de la columna

El vapor sube por la columna y, a medida que sale de la parte superior de la unidad, es enfriado en un condensador. El líquido condensado se almacena en un recipiente conocido como el tanque de reflujo. Una parte importante de este líquido se recircula de nuevo de nuevo a la parte superior de la columna y recibe el nombre de reflujo. El líquido condensado que se retira del sistema se conoce como el destilado o producto de alta calidad.

Figura 191 Operación en la cima de la columna

Por lo tanto, hay flujos internos de vapor y el líquido dentro de la columna, así como los flujos externos de los alimentos y corrientes de productos, dentro y fuera de la columna.

Control de la columna de destilación

Ø La variable operativa más importante tiene lugar en este sitio y corresponde a la temperatura de cima de la columna de destilación característica de la temperatura de ebullición del componente mas volátil del alimento a la columna a la presión de trabajo de la misma. Ø El reflujo a la columna constituyó una "tecnológica" de avanzada en el alambique, haciendo la destilación más eficiente, requiriendo solamente una sola destilación en operación continua. Este tipo de técnicas permite la separación exacta de los componentes de la mezcla. Además, el cambio de la tasa de reflujo proporciona una gran flexibilidad para crear en el caso de la destilación del Etanol, el estilo y la calidad del tipo de bebida alcohólica producida. El reflujo sigue siendo no sólo más eficiente, sino también está equipado para reducir el potencial de cianuros y etilcarbamatos que son perjudiciales si gran parte de ellos están presentes.

Figura 192 Diagrama de Control de Proceso de la columna de destilación

Otras Consideraciones Operacionales de los destiladores ü Consumo de agua por lotes: por cada 600 litros de lote, se estiman de unos 1200 litros de agua de refrigeración. El agua es necesaria para la refrigeración y no deberán exceder una temperatura de entrada de menos de 20 ° C. en el condensador si está bien diseñado. La temperatura de salida del agua es de ~ 70 ° C. Si los gastos de

agua son altos, existen soluciones técnicas para hacer circular agua refrigerada. La temperatura de salida del destilado deberá ser de 20 ° C. ü El consumo de vapor: es de alrededor 100 kg/hr es el valor estándar para una capacidad de destilación de 600 litros, en 1 hora para la masa a destilar en ebullición. ü Normalmente para finalizar el proceso, se necesitan 1,5 horas adicionales que consumen aproximadamente 70 kg de vapor por hora. ü Para el cálculo del consumo de energía los números básicos válidos son los siguientes: 170.000 BTU se requieren por hora. Para las calderas de vapor a gas esto significa a la entrada 220.000BTU. ü Con base en el valor de BTU de gas natural o propano, se puede calcular el costo del combustible.