La destilación es definida como: Un proceso en el cual una mezcla líquida o gaseosa, de dos o más substancias, es separada en sus fracciones componenciales, a la pureza deseada, mediante la aplicación o retiro de calor. La destilación está basada en el hecho de que el vapor de una mezcla en ebullición será más rica en los componentes que tienen más bajos puntos de ebullición. Por lo tanto, cuando este vapor es enfriado y condensado, el condensado contendrá más componentes volátiles. Al mismo tiempo, la mezcla original contendrá más del material menos volátil.

Las torres de destilación están diseñadas para realizar eficientemente esta separación.

Aunque mucha gente tiene una idea aproximada de lo que es la destilación, algunos aspectos importantes que a veces parecen no recordarse, desde el punto de vista de la fabricación, son que:

La destilación es la técnica más común de separación. Consume enormes cantidades de energía, tanto en términos de enfriamiento como de calentamiento. Puede contribuir a más de 50% de los costos operativos de una planta.

La mejor manera de reducir costos operativos en las unidades existentes, es mejorar su eficiencia y operación mediante optimización y control. Para realizar esta mejora, es esencial conocer completamente los principios de la destilación y cómo son diseñados los sistemas de destilación. El propósito de este conjunto de notas es exponer la terminología usada en destilación y entregar una introducción muy básica acerca de:

Tipos de torres Equipo básico de destilación y operación.

Componentes internos de las torres. Rehervidores o reboilers Principios de destilación. Equilibrio vapor líquido. Diseño de torres de destilación, y Los factores que afectan la operación de las torres de destilación.

TIPOS DE TORRES DE DESTILACION Hay muchos tipos de torres de destilación cada uno diseñado para realizar tipos específicos de separación y cada diseño difiere en términos de complejidad. Destilaciones Batch y Continuas. Una manera de clasificar torres de destilación es según la manera en que operan. Así tenemos: Batch y continuas Torres de proceso por lotes (Batch). En la operación batch, la carga a la torre es introducida en forma intermitente. Esto es, la torre es alimentada con una cantidad determinada de carga y luego se produce el proceso de destilación. Cuando la tarea está completada, se introduce una nueva cantidad de carga. Torres de proceso continuo. En contraste, las torres de proceso continuo, procesan una corriente continua de carga. No hay interrupciones a menos que haya un problema en la torre o en el equipo relacionado. Este sistema es capaz de manejar grandes cantidades y es el más común de los dos tipos.

Nos concentraremos sólo en este tipo de torres.

Tipos de torre de proceso continuo. Las torres de proceso continuo pueden subsecuentemente ser clasificadas de acuerdo a: La naturaleza de la carga que están procesando. Torre binaria. - la carga contiene sólo dos componentes. Torre de multi-componentes - la carga contiene más de dos componentes. El tipo de componentes internos de la torre. Torre de bandejas (tray) - donde se utilizan bandejas de varios diseños para mantener el líquido y permitir mejor contacto entre el vapor y el líquido, y por lo tanto mejor separación.

Torre de relleno (packed) - donde, en vez de bandejas, se utiliza material de relleno (packings) para mejorar el contacto entre el vapor y el líquido.

EQUIPO BASICO DE DESTILACION Y OPERACIÓN.

Componentes principales de las torres de destilación. Las torres de destilación tienen varios componentes, cada uno de los cuales es usado ya sea para la transferencia de energía calórica o mejorar la transferencia de material. Una torre de destilación típica contiene varios componentes principales: Una carcaza (shell) vertical - donde se realiza la separación de los componentes del líquido. Componentes internos de la torre, tales como bandejas/platos (trays/plates) y/o relleno (packings), que son usados para mejorar la separación de los componentes.

Un rehervidor (reboiler) para suministrar la vaporización necesaria para el proceso de destilación.

Un condensador (condenser) para enfriar y condensar el vapor que sale por el tope de la torre.

Un acumulador de reflujo (reflux drum) para almacenar el vapor condensado del tope de la torre de manera que el líquido (reflux) pueda ser reciclado a la torre.

La carcaza vertical contiene los componentes internos de la torre y junto con el condensador y rehervidor, constituye una torre de destilación. A continuación se muestra un esquema de una unidad típica de destilación con una sola alimentación y dos corrientes de producto. Operación básica y Terminología

La mezcla de líquido que va a ser procesada se conoce como la alimentación (feed) y esta es introducida generalmente cerca del centro de la torre, a una bandeja (tray), conocida como la bandeja de alimentación (feed tray). La bandeja de alimentación divide la columna en una sección de tope (enriquecimiento (enriching) o rectificación (rectification) y una sección de fondo (agotamiento o stripping). La carga fluye hacia abajo por la torre, donde es colectada en el fondo en el rehervidor (reboiler).

Se suministra calor al rehervidor para generar vapor. La fuente de calor puede ser cualquier fluido adecuado, aunque en la mayoría de las plantas químicas se usa generalmente vapor. En las refinerías, las fuentes de calor pueden ser las corrientes que salen de otras torres. El vapor generado en el reboiler es re-introducido a la unidad por el fondo de la torre. El

líquido retirado del reboiler es conocido como el producto de fondo (bottoms product) o simplemente, fondos (bottoms).

El vapor se mueve hacia arriba por la torre, y a medida que sale de la unidad, es enfriado por un condensador (condenser).El líquido condensado es almacenado en un acumulador conocido como acumulador de reflujo (reflux drum). Algo de este líquido es reciclado nuevamente al tope de la torre y se le llama reflujo (reflux). El líquido condensado que es retirado del sistema es conocido como el destilado o producto de tope (distillate o top product).

Por lo tanto, hay flujos internos (internal flows) de vapor y líquido dentro de la columna como así también flujos externos (external flows) de alimentaciones y corrientes de producto, hacia y desde la torre

COMPONENTES INTERNOS DE LAS TORRES Bandejas y Platos Los términos "bandejas" y "platos" "trays" y "plates" son usados indistintamente. Hay muchos tipos de diseño de bandejas, pero los más comunes son: Bandejas de campanas de burbujeo (Bubble Caps Trays). Una bandeja con campanas de burbujeo tiene un tubo o chimenea fijado sobre cada agujero, y una tapa que cubre este tubo (riser).

La tapa está montada de manera tal que hay un espacio entre el tubo (riser) y la tapa, para permitir el paso de vapor. El vapor sube por esta chimenea y es dirigido hacia abajo por la tapa, descargando finalmente a través de ranuras de la tapa, y finalmente burbujeando a través del líquido de la bandeja.

Bandejas perforadas (Sieve Trays) Las bandejas perforadas (sieve trays) son simplemente bandejas de metal con agujeros en ellas. El vapor pasa derecho hacia arriba por los agujeros y a través del líquido que hay sobre la bandeja. La distribución, número y tamaño de los agujeros dependen de los parámetros de diseño.

Bandejas de válvulas (Valve trays)-(Ballasts)

En las bandejas de válvulas, las perforaciones están cubiertas con tapas levantables. El flujo de vapor levanta las tapas, creando un área de flujo para el paso de vapor. La tapa levantada dirige el flujo de vapor horizontalmente hacia el líquido, proporcionando así una mezcla mejor que la que es posible en las bandejas perforadas (sieve trays).

Debido a su eficiencia, amplio rango de operación, facilidad de mantenimiento y factores de costo, las bandejas perforadas y de válvulas han reemplazado en muchas aplicaciones las, alguna vez muy utilizadas, bandejas de campanas de burbujeo.

Flujos de líquidos y vapores en una torre de platos. Los siguientes dibujos muestran las direcciones de los flujos de vapor y líquido a través de una bandeja y de una torre.

Cada bandeja tiene dos conductos, uno en cada lado, llamados bajadas (‘downcomers’). El Líquido desciende por los tubos de bajada por gravedad desde una bandeja a la otra inferior. El flujo por cada plato es mostrado en el diagrama superior a la izquierda.

Un borde de rebalse (outlet weir) en la bandeja asegura que siempre haya inventario de líquido (holdup) sobre la bandeja y está diseñada de manera tal que este líquido esté a una altura adecuada, es decir, que las campanas estén cubiertas de líquido.

Siendo más livianos, los vapores fluyen hacia arriba de la torre y son forzados a pasar a través del líquido por medio de las aberturas de cada bandeja. El área permitida para el paso del vapor en cada bandeja es llamada área activa de la bandeja. (active tray área).

La foto de la derecha es de una sección de una torre piloto a escala, equipada con platos con campanas de burbujeo. Se puede ver la parte superior de las cuatro campanas. La bajada en este caso es un tubo, y es mostrado a la derecha. El burbujeo del líquido en el área activa de la bandeja es debido tanto al paso del vapor desde el plato inferior, como también a la ebullición.

A medida que los vapores calientes pasan por el líquido en la bandeja superior, transfieren calor al líquido. Al realizarse esto, algo del vapor se condensa sumándose al líquido de la bandeja. Sin embargo el condensado es más rico que el vapor en componentes menos volátiles. Adicionalmente, debido a la entrada de calor desde el vapor, el líquido en el plato ebulle, generando más vapor. Este vapor, que se mueve hacia arriba al siguiente plato de la torre, es más rico en el componente más volátil. Este contacto continuo entre el vapor y el líquido tiene lugar en cada plato de la torre y produce la separación entre los componentes de bajo punto de ebullición y aquellos con más alto punto de ebullición.

Diseños de platos. Un plato o bandeja actúa esencialmente como una mini torre, cada uno realizando una fracción de la tarea de separación. De esto podemos deducir que mientras más platos haya, mejor es el grado de separación y que la eficiencia total de la separación dependerá significativamente del diseño del plato. Los platos son diseñados para maximizar el contacto vapor-líquido considerando la distribución del líquido y el vapor en el plato. Esto es debido a que un mejor contacto vapor-líquido significa mejor separación en cada plato, lo que lleva a un mejor rendimiento de la torre. Se requerirán menos platos para realizar el mismo grado de separación. Los beneficios obtenidos incluyen menor uso de energía y menos costos de construcción. Hay una clara tendencia a mejorar las separaciones complementando el trabajo de los platos mediante el uso de rellenos (packings).

Rellenos (Packings) Los rellenos son elementos pasivos que están diseñados para aumentar el área interfacial para el contacto vapor-líquido. Los siguientes dibujos muestran tres tipos diferentes de relleno. Estas piezas de extrañas formas están diseñadas para entregar un buen contacto líquido-vapor cuando un tipo particular es puesto junto en gran cantidad, sin causar excesiva caída de presión a través de la sección rellenada. Esto es importante debido a que una alta caída de presión significa que se requiere más energía para mover el vapor hacia arriba por la torre.

Relleno versus Platos (Packings versus Trays). Una torre de platos que esté sufriendo problemas de circulación puede ser mejorada, en este aspecto, reemplazando una sección de platos con rellenos. Esto se debe a que: Las torres con relleno son más cortas que las torres de platos.

Los rellenos proveen área interfacial extra para el contacto vapor-líquido.

La eficiencia de separación es incrementada para el mismo alto de torre.

Las torres con relleno son llamadas torres de contacto continuo (continuous-contact columns) mientras que las torres de platos son llamadas torres de contacto en etapas (staged-contact columns) debido a la forma en que el vapor y el líquido son puestos en contacto.

REHERVIDORES DE TORRE (REBOILERS). Hay una gran cantidad de diseños de rehervidores. No es el propósito de estas notas profundizar en sus principios de diseño. Sin embargo, ellos pueden ser considerados como intercambiadores que son necesarios para transferir el calor suficiente para llevar hasta el

punto de ebullición el líquido del fondo de la torre. Los siguientes son ejemplos de tipos comunes de rehervidores

REBOILER DECAMISA DE VAPOR

REBOILERINTERNO

REBOILER DE TERMOSIFÓN

REBOILER TIPO CALDERÍN

PRINCIPIOS DE DESTILACION La separación de componentes de una mezcla líquida por medio de la destilación depende de la diferencia de puntos de ebullición de los componentes individuales. También, dependiendo de la concentración de los componentes presentes, la mezcla líquida tendrá diferentes características de punto de ebullición. Por lo tanto, el proceso de destilación depende de las características de la tensión de vapor (Vapour pressure) de las mezclas de líquido.

Tensión de vapor y Ebullición. La tensión de vapor de un líquido a una temperatura particular es la presión de equilibrio (equilibrium pressure) ejercida por las moléculas que salen y entran a la superficie del líquido. Aquí hay algunos puntos importantes relacionados con la tensión de vapor. La entrada de energía aumenta la tensión de vapor. La tensión de vapor está relacionada con la ebullición. Se dice que un líquido ebulle cuando su tensión de vapor iguala la presión del medio. La facilidad con la cual un líquido ebulle depende de su volatilidad (volatility). Los líquidos con altas tensiones de vapor (líquidos volátiles) ebullirán a temperaturas más bajas. La tensión de vapor y por lo tanto el punto de ebullición de una mezcla líquida depende de las cantidades relativas de los componentes en la mezcla. La destilación se produce debido a la diferencia en volatilidad de los componentes de la mezcla líquida. El Diagrama de Punto de Ebullición. El diagrama de punto de ebullición (boiling point diagram) muestra cómo las composiciones de equilibrio de los componentes de una mezcla líquida varían con la temperatura a una presión fija. Considere un ejemplo de una mezcla líquida conteniendo dos componentes (A y B) - una mezcla binaria (binary). Esta tiene el siguiente diagrama de punto de ebullición.

El punto de ebullición de A es en el que la fracción molar de A es 1. El punto de ebullición de B es aquel en que la fracción molar de A es 0. El punto de ebullición es aquel en que la fracción molar de A es 0. En este ejemplo, A es el componente más volátil y por lo tanto tiene un menor punto de ebullición que B. La curva superior en el diagrama es llamada la curva de punto de rocío (dew-point curve), mientras que la menor es llamada curva de punto de burbuja (bubble-point curve). El punto de ebullición de A es aquél a cual la fracción molar de A es 1. El punto de rocío (dew-point) es la temperatura a la cual el vapor saturado comienza a condensar. El punto de burbuja (bubble-point) es la temperatura a la cual el líquido comienza a ebullir.

La zona sobre la curva de punto de rocío muestra la composición de equilibro del vapor sobrecalentado (superheated), mientras que la zona bajo la curva de punto de burbuja muestra la composición de equilibrio del líquido sub-enfriado (subcooled).

Por ejemplo, cuando un líquido sub-enfriado con fracción molar de A=0,4 (punto A) es calentado, su concentración permanece constante hasta que alcanza el punto de burbuja (punto B), en el que comienza a ebullir. Los vapores producidos durante la ebullición tienen la composición de equilibrio dada por el punto C, aproximadamente una fracción molar A de 0,8.Esto es aproximadamente 50% más rico en A que el líquido original. Esta diferencia de composición entre el líquido y el vapor es la base para las operaciones de destilación. Volatilidad Relativa.

La volatilidad relativa (relative volatility) es una medida de la diferencia en volatilidad entre dos componentes, y por lo tanto, de los puntos de ebullición. Indica cuan fácil o difícil será una separación en particular. La volatilidad relativa del componente "i" con respecto al componente "j" es definida como:

yi = Fracción molar del componente ‘i’ en el vapor.

xi = Fracción molar del componente ‘i’ en el líquido.Así si la volatilidad relativa entre dos componentes es muy cercana a uno, es una indicación de que tienen características muy similares de tensión de vapor. Esto significa que tienen puntos de ebullición muy similares y por lo tanto, será difícil separar los dos componentes mediante la destilación.

EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR

Las Torres de Destilación están diseñadas en base a las propiedades de punto de ebullición (boiling point)de los componentes de las mezclas que están siendo separadas. Así, las dimensiones, particularmente la altura, de las torres de destilación son determinadas por los datos de equilibrio vapor-líquido (VLE) de las mezclas. Curvas de Equilibrio Vapor-Líquido (VLE) Los datos de presión constante VLE son obtenidos de los Diagramas de punto de ebullición (boiling point diagrams). Los datos VLE de las mezclas binarias son a menudo presentados como un gráfico, como se muestra en la figura a la derecha. El gráfico VLE expresa el punto de burbuja y el punto de rocío de una mezcla binaria a presión constante. La línea curva es llamada la línea de equilibrio (equilibrium line) y describe las composiciones del líquido y vapor en equilibrio a una presión fija.

Este gráfico VLE particular muestra una mezcla binaria que tiene un equilibrio uniforme vapor-líquido que es relativamente fácil de separar. Los siguientes dos gráficos VLE abajo por otra parte, muestran sistemas no ideales que presentarán más dificultad para la separación. Podemos deducirlo de las formas de las curvas y esto será explicado con más detalle posteriormente.

Las curvas VLE más intrigantes son generadas por sistemas azeotrópicos. Un azeótropo (azeotrope) es una mezcla líquida que cuando es vaporizada, produce la misma composición que el líquido. Los dos gráficos VLE abajo, muestran dos sistemas azeotrópicos diferentes, uno con un punto de ebullición mínimo y otro con un punto de ebullición máximo. En ambos gráficos, las curvas de equilibrio cruzan las líneas diagonales, y estos son puntos azeotrópicos azeotropic points, donde se produce el azeótropo. En otras palabras, los sistemas azeotrópicos hacen subir los gráficos VLE hasta donde las curvas de equilibrio cruzan las diagonales.

Note las formas de las curvas de equilibrio respectivas con relación a las líneas diagonales que bisectan los gráficos VLE. (Boiling Point = Punto de Ebullición).

Sin embargo, ambos gráficos son obtenidos de sistemas azeotrópicos homogéneos. Un azeótropo que contiene una fase líquida en contacto con el vapor es llamado un azeótropo homogéneo (homogenous azeotrope). Un azeótropo homogéneo no puede ser separado por destilación convencional. Sin embargo, se puede usar destilación al vacío (vacumn distillation) dado que las presiones más bajas pueden cambiar el punto azeotrópico. Inversamente, puede agregarse una substancia adicional para cambiar el punto azeotrópico a una posición más "favorable". Cuando este componente adicional aparece en cantidades apreciables en el tope de la torre, la operación es llamada destilación azeotrópica azeotropic distillation.

Cuando el componente adicional aparece principalmente en el fondo de la torre, la operación es llamada destilación extractiva (extractive distillation).

La curva a la izquierda también es generada por un sistema azeotrópico, en este caso un azeótropo heterogéneo (heterogenous azeotrope). Los azeótropos heterogéneos pueden ser identificados por la porción "plana" del diagrama de equilibrio.

Ellos pueden ser separados en dos torres de destilación, dado que estas substancias generalmente forman dos fases líquidas con composiciones que difieren ampliamente. Las fases pueden ser separadas usando tanques de asentamiento bajo condiciones apropiadas

A continuación, veremos cómo se utilizan los datos y gráficos de VLE para diseñar torres de destilación.

DISEÑO DE TORRES DE DESTILACIÓN Como se mencionó, las torres de destilación son diseñadas usando los datos de VLE para las mezclas a ser separadas. Las características de equilibrio vapor-líquido (indicadas por la forma de la curva de equilibrio) de la mezcla determinarán el número de etapas, y de esto, el número de platos necesarios para la separación. Esto es ilustrado claramente aplicando el método McCabe-Thiele para diseñar una torre binaria. METODO DE DISEÑO McCABE-THIELE El sistema McCabe-Thiele es gráfico, y usa el gráfico VLE para determinar el número teórico de etapas necesarias para realizar la separación de una mezcla binaria. Asume un sobre flujo molar constante (constant molar overflow) y esto implica que: Los calores molares de vaporización de los componentes son casi los mismos. Los efectos del calor (calores de la solución, pérdidas de calor hacia y desde la torre, etc.) son insignificantes. Por cada mol de vapor condensado, 1 mol de líquido es vaporizado. El procedimiento de diseño es simple. Dado el diagrama VLE de la mezcla binaria, se dibujan primero las líneas de operación (operating lines). Las líneas de operación definen las relaciones de balance de masa entre las fases de líquido y vapor en la torre. Hay una línea de operación para la sección del fondo (agotamiento o stripping) de la torre, y una para la sección de tope (rectificación o enriquecimiento)(enriching) de la torre.

El uso de asumir un sobre flujo molar constante también asegura que las líneas de operación son rectas. Línea de Operación para la Sección de Rectificación. La línea operacional para la sección de rectificación es construida como sigue: Primero se ubica la composición deseada del producto de tope en el diagrama VLE, y una línea vertical producida hasta que intersecta la línea diagonal que divide el diagrama VLE por la mitad. Entonces se dibuja una línea con una inclinación R/(R+1) desde este punto de intersección como se muestra en el diagrama al lado.

R es la razón de reflujo(L) para destilar el flujo (D) y es llamada la razón de reflujo (reflux ratio) y es una medida de cuanto del material que sube por la torre es devuelto a ésta como reflujo. Línea de operación para la sección de agotamiento (Stripping). La línea de operación para la sección de agotamiento es construida de manera similar. Sin embargo, el punto de partida es la composición deseada del producto de fondo. Desde este punto se traza una línea vertical hasta la línea diagonal, y una línea de inclinación Ls/Vs es trazada como se ilustra abajo en el diagrama.

Ls es la cantidad de líquido hacia abajo a la sección de agotamiento de la torre, mientras que Vs es la cantidad de vapor que sube desde la sección de agotamiento de la torre. Así la inclinación de la línea de operación para la sección de agotamiento es una razón entre los flujos de líquido y vapor en esa parte de la torre. Líneas de equilibrio y operación. El método McCabe-Thiele asume que el líquido sobre la bandeja y el vapor encima están en equilibrio. Cómo se relaciona esto con el gráfico VLE y las líneas de operación es mostrado gráficamente en el diagrama abajo.

Una sección magnificada de la línea de operación para la sección de agotamiento es mostrada en relación con la correspondiente novena etapa en la torre.

L's son los flujos de líquido, mientras que V's son los flujos de vapor. X e Y denotan composiciones de líquido y vapor y los subíndices denotan el origen de los flujos o composiciones. Que sea 'n-1' significara desde la etapa inferior a la etapa 'n' mientras que 'n+1' significará desde la etapa superior a la etapa 'n'. El líquido en la etapa 'n' y el vapor sobre él están en equilibrio, por lo tanto xn e yn descansan sobre la línea de equilibrio. Dado que el vapor es llevado a la bandeja superior sin cambiar su composición, esto es descrito como una línea horizontal en el diagrama VLE. Su intersección con la línea de operación dará la composición del líquido en la bandeja 'n+1' dado que la línea de operación define el balance de material en las bandejas. La composición del vapor sobre la

bandeja 'n+1' es obtenida de la intersección de la línea vertical desde este punto a la línea de equilibrio.

Número de etapas y bandejas (platos). Haciendo la construcción gráfica repetidamente, dará lugar a la creación de un número de secciones esquinadas, y cada sección será equivalente a una etapa de la destilación. Esta es la base para determinar la dimensión de las torres de destilación usando la metodología gráfica McCabe-Thiele, como se muestra en el siguiente ejemplo. Dadas las líneas de operación para las secciones de agotamiento y rectificación, se aplica la construcción gráfica descrita arriba. Este ejemplo particular muestra que se requieren 7 etapas teóricas para realizar la separación deseada. El número necesario de platos o bandejas (en oposición a las etapas) es uno menor que el número de etapas, dado que la construcción gráfica incluye la contribución del rehervidor para realizar la separación

El número real de platos necesarios es dado por la fórmula:

(número teórico de platos)/(eficiencia del plato)

Los valores típicos para la eficiencia de platos abarcan de 0,5 a 0,7 y depende de un número de factores, tales como el tipo de platos que está siendo usado y las condiciones internas del flujo del líquido y vapor. Algunas veces se agregan platos adicionales (hasta 10%) para eliminar la posibilidad de que la torre pueda estar bajo el diseño.

La Línea de Alimentación (línea-q) El diagrama arriba también muestra que la carga binaria debería alimentarse en la 4º etapa. Sin embargo, si la composición de la carga es tal que no coincide con la intersección de las líneas de operación, esto significa que la carga no es un líquido saturado. La condición de la alimentación puede ser deducida por la inclinación de la línea de alimentación o línea-g. La línea-g es la dibujada entre la intersección de las líneas de operación, y donde la composición de la alimentación descansa sobre la línea diagonal. Dependiendo del estado de la alimentación, las líneas de alimentación tendrán diferentes inclinaciones. Por ejemplo:

q = 0 (vapor saturado)

q = 1 (líquido saturado)

0 < q < 1 (mezcla de líquido y vapor)

q > 1 (líquido sub enfriado)

q < 0 (vapor sobrecalentado)

Las líneas-g para las variadas condiciones de alimentación son mostradas en el diagrama a la izquierda.

Uso de las Líneas de Operación y las Líneas de Alimentación en el Diseño McCabe-Thiele. Si tenemos información acerca de la condición de la mezcla de la alimentación, entonces podemos construir la línea-g y usarla en el diseño McCabe-Thiele. Sin embargo, excluyendo la línea de equilibrio, sólo otros dos pares de líneas pueden ser usadas en el procedimiento McCabe-Thiele. Estas son:

Línea de alimentación y línea de operación de la sección de rectificación.

Línea de alimentación y línea de operación de la sección de agotamiento (stripping).

Líneas de operación de agotamiento y rectificación. Esto es debido a que ese par de líneas determinan la tercera

DISEÑO GENERAL DE LA TORRE. Determinar el número de etapas requeridas para el grado de separación deseado y la ubicación del plato de alimentación son solamente los primeros pasos para realizar el diseño general de una torre de destilación. Otras cosas que necesitan ser consideradas son: el espaciado de los platos, diámetro de la torre, configuración interna, servicio de calentamiento y enfriamiento. Todas estas pueden conducir a parámetros conflictivos de diseño. Así, el diseño de una torre de destilación es un procedimiento iterativo. Si los conflictos no son resueltos en la etapa de diseño, la torre no tendrá un buen rendimiento en la práctica. El siguiente conjunto de notas analizará los factores que pueden afectar el rendimiento de una torre de destilación.

FACTORES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE UNA TORRE DE DESTILACION. El rendimiento de una torre de destilación es determinado por varios factores, por ejemplo Condiciones de alimentación. Estado de la alimentación Composición de la alimentación. Trazas de elementos que pueden afectar severamente la VLE de las mezclas líquidas. Condiciones internas de los flujos de líquidos y gases.

Estado de los platos (relleno).

Condiciones climáticas.

Algunos de estos factores serán analizados a continuación para dar una idea de la complejidad de los procesos de destilación. Condiciones de la alimentación. El estado de la mezcla de alimentación y la composición de ésta afecta las líneas de operación y por lo tanto al número de etapas necesarias para la separación. También afecta

la ubicación del plato de alimentación. Durante la operación, si las desviaciones de las especificaciones de diseño son excesivas, la torre puede no ser ya capaz de realizar la tarea de separación. Para supera los problemas asociados con la alimentación, algunas torres son diseñadas con múltiples puntos de alimentación cuando se espera que ésta contenga cantidades variables de componentes. Condiciones de Reflujo. A medida que se incrementa la razón de reflujo, la gradiente de la línea de operación para la sección de rectificación se mueve hacia un valor máximo de 1. Físicamente, esto significa que más y más líquido que es rico en componentes más volátiles está siendo reciclado de vuelta a la torre. La separación entonces se vuelve mejor y por lo tanto se necesitan menos platos para realizar el mismo grado de separación. En condiciones de reflujo total, se requiere un mínimo de platos. Esto es, no hay retiro de destilado.

Por otra parte, a medida que se disminuye el reflujo, la línea de operación para la sección de rectificación se mueve hacia la línea de equilibrio. El ´pinch´ entre las líneas de operación y de equilibrio se vuelve más pronunciado y se necesitan más y más platos. Esto es fácil de verificar usando el método McCabe-Thiele.

Las condiciones limitantes tienen lugar a razón mínima de reflujo, cuando se requerirá un número infinito de platos para realizar la separación. La mayoría de las torres son diseñadas para operar entre 1,2 a 1,5 veces la razón mínima de reflujo, debido a que ésta es aproximadamente la zona de mínimo costo operativo (más reflujo significa más trabajo para el rehervidor). Condiciones del Flujo de Vapor. Las condiciones adversas del flujo de vapor pueden provocar:

Formación de espuma.(Foaming).

Arrastre (Entrapment).

Escurrimiento / dumping.

Inundación (Flooding). Formación de espuma La espumación se refiere a la expansión del líquido debido al paso de vapor o gas. Aunque otorga alto contacto interfacial líquido-vapor, el exceso de espuma a menudo conduce a la retención del líquido en las bandejas. En algunos casos la espumación puede ser tan severa que se puede mezclar con el líquido en la bandeja superior. La formación de espuma dependerá primariamente de las propiedades físicas de las mezclas de líquido, pero algunas veces es debido al diseño y condición del plato. Cualquiera sea la causa, siempre se reducirá la eficiencia de la separación. Arrastre El arrastre se refiere al líquido arrastrado por el vapor a la bandeja superior siguiente y de nuevo es causado por altos flujos de vapor. Es perjudicial debido a que se reduce la eficiencia de la bandeja; se arrastran materiales menos volátiles a un plato que contiene líquido de más alta volatilidad. También puede contaminar la pureza del destilado. Un arrastre excesivo puede conducir a una inundación.

Escurrimiento/Dumping Este fenómeno es causado por un bajo flujo de vapor. La presión ejercida por el vapor es insuficiente para retener el líquido en la bandeja. Por lo tanto, el líquido comienza a escurrir por las perforaciones. Un exceso de escurrimiento conducirá al dumping. Esto es, que el líquido de todas las bandejas bajará hasta la base de la torre (por un efecto dominó) y la torre deberá ponerse en servicio nuevamente. El escurrimiento es indicado por una fuerte caída de presión en la torre y una reducción en la eficiencia de separación. Inundación La inundación es producida por un excesivo flujo de vapor, provocando que el líquido sea arrastrado por el vapor hacia arriba por la torre. El aumento de presión del exceso de vapor también levanta el líquido en el conducto de bajada, provocando una acumulación de líquido en el plato inmediato superior. Dependiendo del grado de inundación, la capacidad máxima de la torre puede ser severamente reducida. La inundación es detectada por fuertes aumentos en la presión diferencial de la torre y un significativo descenso en la eficiencia de la separación.

Diámetro de la torre Muchos de los factores mencionados, que afectan la operación de la torre, son debidos a las condiciones del flujo de vapor: ya sea excesivo o muy poco. La velocidad del flujo de vapor es dependiente del diámetro de la torre. El escurrimiento determina el flujo mínimo de vapor requerido, mientras que la inundación determina el flujo máximo permitido de vapor, por lo tanto, la capacidad de la torre. Así, si el diámetro de la torre no es calculado correctamente, la torre no funcionará bien. No sólo se producirán problemas operacionales, sino que el trabajo de separación deseado no se cumplirá. Estado de los platos y rellenos Recuerde que el número de platos real requerido para un servicio particular de separación es determinado por la eficiencia del plato, o del relleno, si este es el usado. Por lo tanto, todo factor que provoque una disminución en la eficiencia del plato también cambiará el rendimiento de la torre. La eficiencia de un plato es afectada por: ensuciamiento, desgaste rotura y corrosión, y la velocidad a la cual estos factores tienen lugar depende de los líquidos que están siendo procesados. Por lo tanto deben elegirse los materiales adecuados para la construcción del plato.

Condiciones climáticas Muchas torres de destilación están expuestas a la atmósfera. Aunque muchas de ellas están aisladas, el cambio en las condiciones climáticas puede todavía afectar su operación. Por lo tanto el rehervidor debe ser dimensionado adecuadamente para asegurar que se pueda generar suficiente vapor durante períodos de frío y viento, y que pueda bajar suficientemente su carga durante la estación cálida. Lo mismo se aplica a los condensadores. Estos son algunos de los factores más importantes que pueden provocar un mal rendimiento de la torre. Otros factores incluyen cambios en las condiciones operacionales y alimentación producidos por los cambios de condiciones aguas arriba y cambios en la demanda de productos. Todos estos factores, incluidos los asociados al sistema de control, deben ser considerados en la etapa de diseño, porque una vez que la torre es construida e instalada, no se puede hacer mucho más para rectificar la situación sin incurrir en gastos significativos. El control de las torres de destilación es un campo totalmente distinto, pero esa ya es otra historia.