Fraccionamiento - Introducción

Fraccionamiento-Generalidades
Facilitador: Ing. Zoraida J. Carrasquero MSc. 2022
Introducción.
La destilación es un proceso físico utilizado para separar
mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante
calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre
vapores y líquidos. Esta mezcla de alimentación contiene dos o
más productos, y a menudo se limita a, un destilado superior
y un producto de fondo, cuyas composiciones difieren de las
del alimento. Por lo general, el alimento es un líquido o una
mezcla vapor-líquido. El producto de fondo es casi siempre un
líquido, pero el destilado puede ser un líquido, un vapor o
ambos.
La separación requiere que:
1) Se forme una segunda fase para que tanto el líquido
como el vapor estén presentes y puedan hacer
contacto mientras fluyen en contracorriente entre sí
en una columna de platos o empacada,
2) Los componentes tienen diferentes volatilidades para
que se dividan entre las fases, el más volátil se
concentrara en la fase de vapor y el menos volátil en
la fase liquida, y
3) Las dos fases son separables por gravedad o por
medios mecánicos.
La destilación difieren de la absorción y la extracción en que la
segunda fase de fluido generalmente se crea por medios
térmicos (vaporización y condensación) en lugar de una
introducción de una segunda fase que puede contener un
componente adicional que originalmente no está presente en
la mezcla de alimentación.
Generalmente, la destilación es usada en la separación de
licores alcohólicos de materiales fermentados, en la
separación de dos o más líquidos con diferentes puntos de
ebullición, en la desalinización de agua de mar para obtener
agua potable, en la separación de gasolinas, gasóleos, aceites
lubricantes a partir del petróleo, entre otros.
La destilación es probablemente el proceso de separación más
ampliamente usado en las industrias químicas y conexas, sus
aplicaciones van desde la rectificación del alcohol que se ha
practicado desde la antigüedad hasta el fraccionamiento del
petróleo. Una buena comprensión de métodos usados para la
correlación de los datos del equilibrio líquido-vapor es esencial
para comprender la destilación y otros procesos de etapas de
equilibrio.
La aplicación final de la destilación tiene el propósito de
separar dos o más componentes de una mezcla para obtener
productos que cumplan con ciertas especificaciones. Estas
especificaciones pueden ser de comercialización que
requieren cierta pureza o características basadas en el rango
de ebullición, o de proceso que requieren pureza o
concentración con respecto a uno o más componentes para su
uso en procesos posteriores. La pureza especificada o
requerida de un material puede variar en un amplio rango de
ebullición, desde una gasolina a un aceite lubricante, a una
composición del 99,9999% con impurezas limitadas a parte por
millón. Aunque es posible obtener materiales específicos que
hierven en un rango de temperatura por medio de, por
ejemplo, destilación diferencial o incluso destilación
instantánea de equilibrio, es imposible obtener el máximo
rendimiento de dicho material por estos métodos. Las
consideraciones económicas del rendimiento de material con
características específicas han dado como resultado el
desarrollo del proceso de destilación fraccionada que puede
ser por etapa, que es el más utilizado, o del tipo diferencial.
De manera simplificada, la destilación fraccional puede
considerarse como un proceso constituido por varias etapas de
vaporización flash arregladas en serie de tal manera que el
producto de cada etapa sea la alimentación de la etapa
adyacente, como se muestra en la Figura 1. El vapor producido
en una etapa es conducido a la etapa superior y el líquido a la
etapa inferior. En este orden, una etapa es alimentada con el
líquido de la etapa de arriba y con el vapor de la etapa de abajo.
Así, la concentración del componente o componentes con
menor punto de ebullición es incrementada en el vapor en la
dirección del flujo de vapor y decrece en el líquido en la
dirección del flujo de líquido. Porque los constituyentes con
más baja ebullición están concentradas en el vapor de cada
etapa sucesiva. La temperatura decrece de etapa a etapa y
tiende a disminuir hasta alcanzar el vapor final en el proceso.
Similarmente, la temperatura incrementa en la dirección del
flujo de líquido, y la máxima temperatura es alcanzada en el
punto donde el producto líquido es retirado del proceso. La
temperatura es una medida del nivel de energía calórica (Van
Winkle, M. 1967).
Asimismo, cuando una mezcla liquida de dos o más sustancias
volátiles es calentada, el vapor será más concentrado en el
componente más volátil (sustancia de menor punto de
ebullición). Inversamente, si el vapor es enfriado, el
componente menos volátil (sustancia de punto de ebullición
más alto), tendrá una tendencia a condensar en mayor
proporción que el componente más volátil.
Figura 1. Fraccionamiento en etapas sucesivas. Fuente: Van
Winkle, M., 1967.
Debido a que la densidad relativa del vapor y el líquido origina
que el líquido fluya hacia abajo y el vapor fluya hacia arriba, y

en la práctica la presión diferencial alrededor de la columna
induce a un incremento relativo de la velocidad de líquido y el
vapor y, los requerimientos mostrados en la Figura 1,
satisfacen el dispositivo denominado columna de
fraccionamiento, como se muestra en la Figura 2. En ella se
indican las principales zonas de la columna, alimentación,
rectificación y despojamiento; equipos periféricos, principales
productos y el sentido del tráfico de líquido y vapor dentro de
la torre (reflujos internos).
Figura 2. Esquema de una columna de fraccionamiento.
Fuente: IFP, 2015.
La destilación es la operación unitaria más ampliamente
utilizada en la industria como proceso de separación. Desde el
punto de vista cinético y termodinámico, ofrece grandes
ventajas sobre otros procesos existentes para la separación de
una mezcla de fluidos (Rico - Ramírez, V., Diwekar, U., 2000):
• Tiene un gran potencial para altas velocidades de
transferencia de masa, en general, en destilación no hay
materiales inertes o sólidos presentes.
• La eficiencia termodinámica es más alta que en otros
procesos utilizados en la industria química.
Por lo tanto, las unidades de destilación requieren de un
sistema integrado, ya que no solo se obtienen de ellas el
producto de salida de una fraccionadora principal, sino que
deben existir otros equipos y sistemas que incrementen el
grado de separación alcanzado, así como acondicionar las
corrientes a los parámetros de seguridad requeridos por las
unidades de proceso aguas abajo o bien, para el
almacenamiento.
Además, para incrementar la eficiencia de la unidad, se
adecúan sistemas de integración térmica en los que se
aprovecha el poder calorífico de las corrientes de salida para
precalentar la alimentación (por ejemplo), y en consecuencia
acondicionar las mismas corrientes para la disposición
deseada. De esta forma, una corriente de producto cede el
calor (que debe ser retirado) a alguna corriente cuya
temperatura debe incrementarse, minimizando el consumo de
servicios auxiliares como vapor de despojamiento, gas
combustible en los hornos o agua de enfriamiento en
condensadores.
La destilación es una de las operaciones unitarias más
empleadas en la industria química, petroquímica, alimentaria,
farmacéutica, minería, refinación, polímeros y plásticos,
ambiental y perfumera, para la separación de los
componentes que forman mezclas liquidas miscibles e
inmiscibles (Arroyave, D., y col., 2004).
Es importante señalar que la destilación es un proceso de
transferencia de masa que genera una tendencia hacia el
estado de equilibrio, es decir solo puede separar componentes
si la composición de las fases vapor y liquido están en
equilibrio. Este estado de equilibrio representa el límite teórico
del proceso de transferencia de masa; en él ya no existe
transferencia de masa neta, pues ésta se ha llevado a cabo al
máximo posible en esa etapa de tratamiento la cual se
convierte en una etapa perfecta, de 100% de eficiencia. Este
estado deseable no se alcanza en realidad en ningún plato de
ninguna columna de separación, a esa etapa o plato se le
conoce como ideal, teórica o de equilibrio y es un concepto
ampliamente usado en los cálculos de operaciones de
separación. Así que un entendimiento práctico del equilibrio
vapor-liquido (EVL), es esencial para el análisis, diseño y
control de las columnas de destilación.
Modos de operación de las columnas de destilación.
El modo de operación de una columna de destilación se
establece de acuerdo al régimen de flujo, a la presión de
operación y al número de componentes.
De acuerdo al régimen de flujo:
• Por carga (Bacht): se adiciona en el recipiente una cantidad
o volumen de la mezcla a separar y la duración de la
operación de destilación es hasta que se acaba la cantidad
o volumen de mezcla adicionada. Es un proceso en estado
no estacionario.
• Continua: se mantiene un flujo constante de la mezcla a
separar. Es un proceso en estado estacionario.
De acuerdo a la presión de operación.
• Atmosférica: la destilación se realiza a presión atmosférica
• Superatmosférica: La presión de operación de la destilación
está por encima de la presión atmosférica.
• Al vacío: La presión de operación de la destilación está por
debajo de la presión atmosférica.
De acuerdo al número de componentes.

• Mezclas binarias: la mezcla a separar está constituida por
dos componentes.
• Mezclas multicomponente: La mezcla a separar está
constituida por más de dos componentes.
Tipos de destilación.
Hay varios tipos de columnas de destilación, cada una diseñada
para un determinado tipo de separación y cada una difiere en
términos de la otra en términos de complejidad. La elección
de uno u otro tipo de destilación depende a menudo de la clase
de industria y la cantidad a procesar. A continuación, se
mencionan algunos de los tipos de destilación:
Destilación Simple
Se usa para la separación de líquidos con punto de ebullición
inferiores a 150° a presión atmosférica de impurezas no
volátiles o de otros líquidos miscibles que presenten un punto
de ebullición al menos 25° superior al primero de ellos.
Destilación de Equilibrio o Flash.
En este proceso, parte de una corriente de alimentación se
evapora en una cámara de evaporación instantánea para
separar vapor y liquido en equilibrio mutuo. El componente
más volátil se concentrará más en el vapor. En general, en este
método no se alcanza un alto grado de separación.
Destilación Diferencial.
Es una operación por carga en la cual una mezcla es alimentada
a un destilador y es calentada a su punto de burbuja. El vapor
que se forma se retira y condensa en forma continua, no se
alcanza el estado estacionario y la composición de la carga
inicial varia con el tiempo. En este proceso ocurre un aumento
de la temperatura y una disminución de la cantidad relativa de
los componentes con menor punto de ebullición en la carga
inicial al progresar la destilación (Wankat, R., 2008).
Destilación de mezclas complejas.
Los procesos de destilación de mezclas complejas se
presentan, en general, en las refinerías de petróleo y permiten
caracterizar los productos de la destilación o fraccionamiento.
Esta destilación requiere grandes equipos con altos consumos
energéticos que involucran costos de instalación y de
operación considerables, por lo que el diseño exige estudios
rigurosos de optimización. Entre los métodos más usados para
la caracterización del crudo se consideran: ASTM-D86, ASTM
1160, ASTM 2887 y ASTM 2892 (TBP: punto de ebullición
verdadero).
Destilación por arrastre de vapor.
En la destilación por arrastre de vapor se agrega agua (en
forma de vapor) a la mezcla orgánica que se destila con el fin
de reducir la temperatura y mantener suspendidos los sólidos
que puedan estar presente. Puede hacerse con una o dos fases
liquidas en la columna. En cualquier caso, el vapor destilado
condensa y forma las dos fases. Se puede considerar que el
sistema es un tipo de destilación azeotrópica. Es una
destilación pseudo-binaria con agua y el compuesto orgánico
volátil formando un azeótropo heterogéneo.
Destilación al vacío.
Consiste en reducir la presión de operación para obtener la
ebullición a temperaturas bajas, ya que el líquido empieza a
hervir cuando su presión de vapor iguala a la presión de
operación. Se utiliza para separar mezclas térmicamente
inestables o bien sustancias con puntos de ebullición muy
elevados, que demandarían gran cantidad de energía para su
destilación a presión ordinaria.
Destilación Azeotrópica.
Cuando se forma un azeótropo homogéneo o la mezcla tiene
puntos de ebullición muy cercanos no es posible separar la
mezcla por los métodos convencionales. Sin embargo, se
puede añadir un solvente o portador que forme un azeótropo
binario o ternario y usarlo para separar la mezcla.
Destilación Extractiva.
La destilación extractiva es una de las principales técnicas
utilizadas para separar mezclas binarias azeotrópicas. En esta
operación se adiciona un tercer componente también
conocido como agente de separación o solvente, el cual se
caracteriza por ser no volátil, miscible, de alto punto de
ebullición y no forma azeótropos adicionales.
Destilación Fraccionada.
Se usa para separar componentes líquidos que difieren en
menos de 25º en su punto de ebullición. Cada uno de los
componentes separados se les denomina fracciones. En la
Figura 3, se muestra un esquema de una columna de
destilación fraccionada.
• Es el método más empleado actualmente para separar los
componentes de una mezcla liquida.
• Incluye el retorno de una parte del vapor condensado al
equipo
• Este tipo de destilación es continua y permite manipular
grandes cantidades de materiales y el reflujo hace posible
alcanzar purezas elevadas en los productos destilados.
La destilación fraccional o fraccionamiento es un tipo especial
de destilación y como técnica de separación es mucho más
efectiva y eficiente que una destilación simple. De hecho, el
fraccionamiento es equivalente a una serie de destilaciones,
donde la separación es lograda por sucesivas destilaciones o
repetidos ciclos de condensación-vaporización. Se requerirán
un número de etapas teóricas para un eficiente
fraccionamiento y separación de la mezcla líquido-vapor.
La transferencia de calor y masa ocurre en cada plato. El vapor
que viene del plato inferior está a una temperatura más alta
que el líquido que desciende del plato superior. El vapor será
enfriado ligeramente, ocurriendo la condensación de los

componentes más pesados; y el líquido será calentado con la
correspondiente vaporización de los componentes más
ligeros. El vapor del plato superior de la columna entra a un
condensador donde el calor es removido por un fluido de
enfriamiento (agua, aire o un refrigerante). Una parte del
condesado líquido es retornado a la columna como reflujo
(líquido saturado o líquido frío).
Figura 3. Esquemático de una columna de destilación
fraccionada.
La combinación de la generación del vapor en el rehervidor y
el líquido condensado en el condensador, si ambas corrientes
retornan a la columna, diferencian el equilibrio de una
destilación continua y una destilación diferencial por carga. El
vapor del rehervidor y el líquido que retorna como reflujo
permiten productos de mayor pureza y a su vez, la mayor
recuperación de los componentes de la alimentación.
Hoy día, la destilación fraccional es una de las operaciones
unitarias más importantes en la industria de la ingeniería
química. La preferencia de la destilación fraccionada para
separación de mezclas es fundamental por razones cinéticas y
termodinámicas. Es el proceso más económico para la
separación y producción de productos de alta pureza.
Conceptos claves de fraccionamiento.
Los conceptos que a continuación se describen son
fundamentos esenciales para el entendimiento del proceso de
destilación. En la Figura 4, se muestra el esquema de una
columna especificando cada uno de sus constituyentes y las
zonas que se distinguen en ella.
Una columna de destilación está constituida por una carcasa
de metal y tiene corte transversal circular. Contiene platos o
etapas donde se efectúa el contacto entre las dos fases (L y V).
El vapor fluye hacia el tope de la columna y es más rico en el
componente más volátil y el líquido fluye hacia el fondo de la
columna y es menos rico en el componente más volátil.
En la columna pueden distinguirse tres zonas la zona de
enriquecimiento, agotamiento o empobrecimiento, la zona
flash o de alimentación.
Figura 4. Esquema de una torre de destilación. Fuente: Henley,
E y Seader, H. 1998)
• Sección de Enriquecimiento.
Es la zona que está por encima del plato de alimentación y
recibe este nombre porque a medida que las partes más
livianas, vapor, ascienden hacia el tope de la torre y se pone en
contacto con el líquido de cada etapa, se hace cada vez más
liviano es decir, más rico en el componente más volátil. Para
generar el reflujo de líquido, se aplica enfriamiento para
condensar una porción de vapor del tope.
• Sección de Alimentación.
Es el punto donde entra la alimentación en la columna,
también se le denomina “zona de vaporización instantánea”.
• Sección de Empobrecimiento.
Es la zona que está por debajo del plato de alimentación y se
denomina zona de agotamiento ya que el líquido cae hacia el
fondo de la torre y al contacto con el vapor que sube hacia el
tope es despojado de sus partes más livianas y se enriquece en
los componentes más pesados de la alimentación. Para
generar el reciclo de vapor se suministra calor para vaporizar
una porción de líquido de la etapa del fondo. Este vapor se
denomina vapor ascendente.
• Etapa ideal.
Una etapa ideal no tiene existencia física o real. En la misma
toman contacto dos o más corrientes (vapor - líquido o por
ejemplo líquido-líquido) y se asume que abandonan la misma
en estado de equilibrio. Esto implica que el potencial químico
de cada componente resulta equivalente, al igual que la

temperatura (Scenna, N. J. y col., 1999). En la figura 5 se
presenta en forma gráfica el concepto de etapa de equilibrio
Se considera que una etapa es ideal o de equilibrio si cumple
con los siguientes criterios:
1. Si opera en estado estacionario y se obtiene un producto
en fase de vapor y un producto en fase liquida;
2. Todas las corrientes, líquido y vapor, que entran a la
etapa están en contacto íntimo y perfectamente mezclado;
3. La corriente de vapor que sale de la etapa está en equilibrio
con la corriente liquida que sale de esa misma etapa.
Figura 6. Concepto de etapa de equilibrio. (a) Presentación
general de una etapa de equilibrio (b) y (c) Producto de fase
simple (no son etapas ideales de equilibro); (d) y (e) Productos
en dos fases (etapas ideales de equilibrio). Fuente: Kister, H.,
1992.
• Alimentación.
La corriente de alimentación es una mezcla de dos o más
componentes que se introducen en la columna para su
posterior separación. La alimentación puede ser liquida, vapor
o mezcla (L + V) y puede introducirse en el tope, fondo o en un
punto intermedio entre el tope y fondo. El lugar más idóneo
para introducir la alimentación depende de la calidad de
alimentación. Si la alimentación fuese rica en el componente
más liviano, deberá introducirse más cerca del condensador. Si
la alimentación fuese más pesada se introduciría cerca del
plato inferior.
De acuerdo a la ubicación de la corriente de alimentación se
distinguen:
Columna de agotamiento
Columna de enriquecimiento
Columna de fraccionamiento
Columna de Agotamiento o Empobrecimiento.
Se dice que una columna es de agotamiento si la alimentación
es introducida por la parte superior de la columna, tope de la
columna, y generalmente se introduce como líquido saturado
o líquido frío (Ver Figura 6).
Figura 6. Esquema de una columna de empobrecimiento.
Fuente: Kister, H. 1992.
Columna de enriquecimiento o rectificación continua.
En este tipo de operación la alimentación entra por el fondo
de la columna, y es introducida como vapor saturado o vapor
sobrecalentado. Por lo general, este tipo de columna no
presenta rehervidor y cuando lo tiene la alimentación es
introducida en él (ver Figura 7).
Figura 7. Esquema de una columna de rectificación continua.
Fuente: Kister, H. 1992.
Columna de fraccionamiento.
En una columna de fraccionamiento la alimentación es
introducida en cualquier punto entre el tope y el fondo de la
columna. La alimentación puede introducirse como líquido
(saturado o frío), vapor (saturado o sobrecalentado) o mezcla
(líquido – vapor). En la Figura 8 se muestra un esquema de una
columna de fraccionamiento y en la figura 9, se presenta el
fraccionamiento del petróleo.
En los fraccionadores con múltiples alimentaciones, Figura 10,
el criterio más preciso y funcional usado para distinguir las
secciones de rectificación y agotamiento es el siguiente: “la
sección de despojamiento tiene un flujo descendente neto de
material. El vapor sirve solamente como una corriente de
reciclo para remover los ligeros desde el líquido. Por lo tanto,

la cantidad de líquido excede a la cantidad de vapor en la
sección de agotamiento. Lo opuesto se aplica a la sección de
rectificación. Esta sección tiene un flujo ascendente de
material, y la cantidad de vapor excede a la cantidad de
líquido” (Kister, H., 1992).
Figura 8. Esquema de una columna de fraccionamiento.
Fuente: Kister, H. 1992
Figura 9. Destilación fraccionada del petróleo.
• Condensador.
Es un intercambiador de calor, en el cual los vapores del tope
de la torre son condensados total o parcialmente de acuerdo a
las especificaciones del producto destilado. El fluido de
enfriamiento generalmente es agua fría o la alimentación de la
torre. El condensador puede operar como un condensador
total o como un condensador parcial. En un condensador total
(ver Figura 11) toda la corriente de vapor que abandona el tope
de la columna se condensa y, posteriormente, el condensado
se divide en producto destilado (liquido) y reflujo que regresa
a la columna (LC). Todas estas corrientes tienen la misma
composición.
Si se utiliza un condensador parcial el vapor de tope V1 se
condensa parcialmente, como se observa en la Figura 12.
Entonces el vapor (D) y el líquido (LC) que salen del
condensador están en equilibrio, y el condensador opera como
otra etapa de equilibrio en la columna.
Figura 10. Esquema de fraccionador múltiples alimentaciones
y salidas. Fuente: Kister, H., 1992.
Figura 11. Esquema de un condensador total. Fuente: McCabe-
Smith-Harriot, 2000.
Figura 12. Esquema de un condensador parcial. Fuente:
McCabe-Smith-Harriot, 2000.
• Tambor de destilado.
El propósito del tambor de destilado es proporcionar un flujo
estable de reflujo y producto de tope. El tambor debe ser lo
suficientemente grande como para absorber variaciones
pequeñas en el flujo de condensación. También ayuda en la
separación del vapor y del líquido y en algunos casos es usado
para separar dos fases liquidas inmiscibles (Kister, H., 1992).
Algunas veces, los vapores que salen del tope de la torre

contienen hidrocarburos sumamente livianos, tales como
metano y etano, estos no son condensables a temperaturas
normales. Entonces, salen del tambor de destilado por la parte
superior como gases (Ver Figura 13).
Figura 13. Tambor de destilado. Fuente: Kister, H. 1992.
• Reflujo.
Es parte del vapor que condensa que regresa a la torre con la
finalidad de enriquecer los vapores del tope de la torre del
producto más volátil y, enfriar la parte superior de la torre y
en algunos casos toda la torre. Si no hubiera reflujo, no habría
fraccionamiento; si la cantidad de reflujo es baja se evaporaría
antes de bajar todos los platos de la zona de rectificación y los
platos de situados más abajo se secarían; si hay exceso de
reflujo, la temperatura de la parte superior de la torre sería
muy baja, y no se podrían evaporar todas las partes livianas
deseables. Reflujo total significa que no se obtiene producto
de tope.
La cantidad de reflujo comparada con el producto o con el flujo
de vapor interno se conoce como relación de reflujo. En la
Figura 14, se muestra un esquema de la parte superior de la
columna de destilación. En ella se distinguen dos tipos de
reflujo: el reflujo externo que se define como la cantidad de
líquido condensado que regresa a la columna y el reflujo
interno que es la cantidad de líquido condensado que regresa
a la columna que está en contacto con la corriente de vapor
interna.
Figura 14. Parte superior de la columna de destilación donde
se señala el reflujo externo y reflujo interno. Fuente: IFP, 2008.
• Corriente lateral.
Es una corriente desde la cual se extrae parte del líquido que
cae en un cierto plato. Si se desea extraer un producto liviano
se extrae de un plato superior de la torre; si el corte lateral se
desea más pesado, se extrae de un plato de la parte inferior de
la torre.
Cuando se retira el “corte” lateral, hay que tener cuidado de
no retirar todo el líquido de ese plato. Si se hace un retiro
completo, los platos de abajo se secaran: no habrá reflujo
interno, y el fraccionamiento será pobre.
• Rehervidor.
Aparato tubular cuyo fin es efectuar una vaporización parcial
de los productos de fondo de una columna, con el objeto de
producir una fase gaseosa que asegure el fraccionamiento en
la sección de agotamiento de la torre (Guía diseño de plantas
industriales, ULA). . No es usado en todas la torres.
Generalmente se utiliza cuando la alimentación es
relativamente liviana y las temperaturas son bajas; si la
alimentación es pesada, todo el calor introducido en la torre
viene de la alimentación. El vapor en el rehervidor “vaporiza
parcialmente el líquido que procede del plato inferior, además
de generar un nuevo flujo de vapor” (ver Figura 15).
Figura 15. Parte inferior de una columna de destilación donde
se identifica el rehervidor. Fuente: IFP, 2008.
Por analogía con la sección superior de la columna, se define
un relujo inferior que corresponde a la cantidad de vapor que
regresa a la columna, es decir es la cantidad de líquido que
vaporiza y regresa a la columna. La cantidad de reflujo inferior
comparada con el producto de fondo se conoce como relación
de reflujo inferior o relación de vaporización (V/B).
De acuerdo a su forma de operación el rehervidor puede ser
parcial o total. En un rehervidor parcial la corriente de líquido
procedente del último plato de la columna, se vaporiza
parcialmente, el líquido que resulta se extrae como producto
de fondo, B, y el vapor se alimenta a la última etapa de la
columna; ambas corrientes de producto del rehervidor están
en equilibrio, y opera como otra etapa de la columna. En el
rehervidor total, la corriente de líquido procedente de la
última etapa de la columna se divide en dos corrientes, una
corriente de producto de fondo, B, y la corriente de
alimentación del rehervidor, donde se vaporiza totalmente y

regresa a la última etapa de la columna, Todas estas corrientes
tienen la misma composición.
Tipos de Rehervidor.
Se conocen un gran número de diseño de rehervidores, sin
embargo, pueden ser considerados como intercambiadores de
calor que son requeridos para transferir calor y mejorar el
fraccionamiento en la parte inferior de la torre. Entre los tipos
de rehervidores más comunes se mencionan:
• Termosifón horizontal o vertical. En el termosifón
horizontal o vertical el líquido del fondo de la columna
circula naturalmente hacia el rehervidor donde es
parcialmente vaporizado
• Rehervidor tipo Kettle. En el rehervidor tipo Kettle el
líquido de fondo se vaporiza parcialmente y se separa
en dos fases líquido vapor
• Calentador directo. Donde el líquido de fondo es
bombeado a los tubos del calentador donde es
parcialmente vaporizado.
• Rehervidor directo. En un rehervidor directo, el
líquido es tomado del plato inferior y pasa al
rehervidor. Las fases vapor y liquido son separadas en
el fondo de la columna.
Los rehervidores para columnas de destilación industrial son
usualmente intercambiadores de calor externos del tipo kettle
o termosifón vertical. Para el rehervidor tipo kettle, el líquido
es parcialmente vaporizado por transferencia de calor desde
los tubos que llevan vapor condensado o algún otro fluido de
calentamiento. El producto que sale del rehervidor se asume
que está en equilibrio con el vapor que retorna al plato del
fondo. Así, el rehervidor kettle es parcial y es equivalente a una
etapa de equilibrio.
En el rehervidor tipo termosifón vertical el producto de fondo
y la alimentación del rehervidor, ambos son una mezcla del
producto líquido que está en el fondo de la columna. La
circulación a través de los tubos del rehervidor ocurre por la
diferencia del cabezal estático del líquido suplido y el fluido
parcialmente vaporizado en los tubos del rehervidor. La
vaporización parcial provee un enriquecimiento del vapor
existente. Pero el líquido existente es mezclado con el líquido
que sale del plato del fondo de la columna, el cual contiene
alto porcentaje de volátiles. En este tipo de rehervidor la
temperatura de retorno es mayor que la del producto de
fondo. Usualmente, la fracción vaporizada es menor que la del
tipo kettle y por tanto es mejor no tomarla como una etapa de
equilibrio. Los rehervidores tipo termosifón son favorables
cuando:
a. El producto de fondo contiene compuestos sensibles
térmicamente.
b. La presión en el fondo es alta.
c. Solo un pequeño ΔT es útil para la transferencia de calor
d. Ocurre ensuciamiento.
El termosifón horizontal puede ser usado en lugar del tipo
vertical cuando solo un pequeño cabezal estático es necesario
para la circulación, cuando las áreas superficiales requeridas
son muy grandes, y/o cuando son necesarias limpiezas de los
tubos anticipadas. Una bomba puede ser adicionada al
rehervidor de termosifón para mejorar la circulación. (Seader,
Henley y Roper, 2010).
Asimismo, el flujo de calor puede suministrarse a la columna
mediante el precalentamiento de la alimentación. Este
dispositivo de calentamiento (intercambiador de calor)
incrementa el flujo de vapor en la sección de la torre por
encima de la alimentación, mientras que el vapor generado por
el rehervidor pasa por todos los platos de la torre. Sin
embargo, para efectos de la separación el vapor del rehervidor
es más efectivo, pero puede ser más económico suplir calor
mediante el precalentador de la alimentación que con el
rehervidor.
• Accesorios necesarios para promover el contacto
entre las fases.
Los términos “platos” y “empaques” son usados cuando se
mencionan los accesorios o internos de las columnas que
promueven el contacto entre las dos corrientes, líquido y
vapor. Las torres de relleno y platos pueden utilizarse
indistintamente para muchas operaciones de contacto en
contracorriente y la diferencia de costos entre ellas no es
demasiado grande, aunque el relleno es más caro que los
platos. Por otra parte, la diferencia de altura de la columna no
es significativa si las velocidades de flujo son tales que la
eficacia están próximas a su valor máximo. Como regla
aproximada, los platos se utilizan siempre en columnas de gran
diámetro y torres con más de 20 o 30 etapas y, las columnas
de relleno tienen mayor aplicación en columnas de diámetros
pequeños, en absorción de gases, en el laboratorio, plantas
pilotos y operaciones de alto vacío.
En la figura 16, se muestra la dirección del flujo de líquido y de
vapor a través del plato y se identifican las zonas de los platos.
Cada plato tiene dos conductos, uno de cada lado,
denominados bajantes (downcomers). El líquido cae a través
de la los bajantes por gravedad desde un plato hacia el plato
inferior a este. Una compuerta, presa o vertedero sobre el
plato asegura que siempre habrá algo de líquido sobre este y
es diseñado tal que la capa de líquido (holdup) tenga una altura
adecuada tal que las copas de burbujeo estén cubiertas por el
líquido. El vapor fluye hacia el tope de la columna y es
forzado a pasar a través del líquido, por las aberturas u
orificios de cada plato. El área para el paso del vapor sobre
cada plato se denomina área activa del plato. Igualmente en la
Figura 17, se muestra la dirección de los flujos de líquido y
vapor en columnas empacadas cuyo comportamiento es
análogo a la columna de platos.

Figura 16. Diagrama de flujo de platos perforados
Figura 17. Esquema de flujo de las corrientes de líquido y vapor
en columnas empaques al azar y empaques estructurados.
Los requisitos básicos de una etapa de contacto de platos son:
• Proporcionar un buen contacto líquido – vapor
• Proporcionar una retención suficiente del líquido para
obtener una buena transferencia de masa (eficacia
elevada)
• Tener un área suficiente y espaciado para mantener el
arrastre de gotas de líquido por el vapor y la caída de
presión dentro de los límites aceptables.
• Tener suficiente área en el bajante para que el líquido
circule libremente de plato a plato.
Existen muchos tipos de platos en la industria y entre los más
usados se mencionan los platos perforados, platos de copa de
burbujeo y platos de válvula. A continuación se muestran
algunas de las características de los platos.
Platos perforados: son placas planas con un gran número
de perforaciones de pequeño diámetro, como se muestra
en la Figura 18a. Estas perforaciones tienen normalmente
2,4 a 6,3 mm de diámetro con sus centros separados desde
25,4 a 51 mm. La velocidad del vapor que sube a través de
los agujeros es suficiente para impedir que el líquido baje
por los mismos, por los que tales platos deben estar
provistos de vertederos de alimentación y descarga de
líquidos, C y D.
Figura 18. Flujo de vapor a través del plato: a) plato perforado,
b) plato tipo válvula y c) copas o casquetes de burbujeo.
Fuente: Kister, H., 1992
Platos de válvula: son platos perforados con aberturas
variables (35 – 40 mm de diámetro) para el flujo de vapor.
Las perforaciones están cubiertas con capuchas móviles
que se elevan con el flujo de vapor. A velocidades bajas se
reduce la tendencia al lloriqueo. A velocidades altas de
vapor la caída de presión permanece baja. En la Figura 18b
se muestra un esquema de platos de válvula.
Platos de copas de burbujeo: se caracterizan por presentar
una chimenea o tubo de ascensión de vapores cubierta por
un casquete en forma de campana o copa, que está
asegurada en su posición por una pieza con tres patas y un
pasador, como se muestra en la Figura 18c. El borde de la
campana puede ser dentado o las paredes laterales
ranuradas. El vapor asciende desde el plato inferior y sale
en forma de burbujas por las ranuras de la campana.
Sobre el plato se mantiene una cantidad de líquido tal que
las ranuras permanezcan sumergidas. El tubo de descenso
que viene del plato superior, está cerrado por el líquido que
hay sobre el plato inferior, de tal manera que el vapor no
pueda circular por esta tubería.
Los factores principales a considerar cuando se comparan los
platos de campanas de borboteo, perforados y válvulas son
costo, capacidad, rango de operación, eficacia y caída de
presión. Así, los platos perforados son los más baratos y menos
propensos a las incrustaciones y son satisfactorios para la
mayoría de las aplicaciones. Los platos de válvula fija son casi
tan baratos como los perforados y han mejorado el
comportamiento de retorno. La mejora en el rendimiento
generalmente justifica el incremento en el costo y este tipo de
plato es comúnmente seleccionado para aplicaciones sin
peligro de incrustaciones. Se pueden considerar los platos de
válvula móvil si no se puede alcanzar la relación de reflujo
especificada con los platos perforados o los de válvula fija. Las
campanas de borboteo sólo se deben usar cuando se trabaja
con un bajo caudal de vapor y es esencial un sellado positivo
del líquido a cualquier caudal.
Los empaques son dispositivos que están diseñados para
incrementar el área interfacial para el contacto vapor – líquido
(a)
(b)
(c)

y construidos con materiales químicamente inertes con
respecto a los fluidos que se procesan y de estructura fuerte
que permita su fácil manejo e instalación y el paso de grandes
volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones
transversales de la torre, sin ocasionar inundación, además de
bajo costo.
Existen diferentes tipos de empaques clasificados como
empaques al azar y empaques estructurados. Los empaques al
azar son piezas discretas de una forma geométrica específica,
los cuales son vaciados aleatoriamente dentro de la columna;
los empaques estructurados son piezas colocadas en forma
ordenada dentro de la columna y las rejillas son también
empaques estructurados, pero en vez de una malla tejida u
hojas corrugadas están constituidas por una estructura
reticular abierta. Su uso es limitado a la transferencia de calor
y los servicios de lavado y/o donde se requiera una alta
resistencia al ensuciamiento. En la figura 19 se muestran
diferentes tipos de empaques al azar y estructurados.
Figura 19. Tipos de empaques: (a) al azar, (b) estructurado.
Condiciones y límites de operación en columnas de destilación
En el funcionamiento de una torre de destilación se pueden
presentar algunos fenómenos que bien pueden depender de
un diseño defectuoso o por operar la unidad fuera de los
límites previstos. Estos fenómenos son los siguientes: sello de
líquido de los bajantes, goteo, arrastre, inundación.
Sello de líquido en los bajantes.
Se define como bajante o vertedero (Downcomer) al canal o
espacio a través del cual el líquido desciende hacia el plato
próximo inferior. El bajante proporciona un volumen y tiempo
de residencia suficiente para que el líquido se libere del vapor
arrastrado antes de alcanzar el siguiente plato. El sello del
bajante evita que el vapor ascendente se desvíe hacia el
bajante del plato superior en lugar de pasar a través de la zona
de contacto del plato. Esto evita una excesiva aireación del
líquido en el bajante que produciría inundación por alto nivel
de líquido (Kister, 1992).
Para prevenir el desvío de vapor a través del bajante, este debe
ser sellado por el líquido del plato inferior. Por lo tanto, es
necesario chequear la sumatoria de todas las alturas de líquido
libre de gas (hi) a la entrada del plato y de las pérdidas de
cabezal (hud) en el bajante a un flujo mínimo de líquido. Dicha
sumatoria debe ser por lo menos igual al espacio libre en el
bajante y preferiblemente excederla en 0.25 plg. Si no se
obtiene un sellado, se debe considerar añadir un vertedero de
entrada o el uso de una caja de entrada de receso, en ese
orden de preferencia. El reducir el espacio libre en el bajante
(por debajo de una pulgada mínimo) podría ayudar al sellado
del bajante, siempre que el llenado del bajante no sea excesivo
a flujos de diseño. El sellado del bajante se debe chequear sólo
si no se utiliza una caja de entrada de receso. [PDVSA, 1997].
Goteo (Weeping)
El goteo consiste en la caída de líquido a través de las
perforaciones del plato hacia el plato inferior y se debe a que
la velocidad del vapor al pasar a través de las perforaciones del
plato es menor que la necesaria para impedir este paso del
líquido (ver Figura II.46). Cuando el flujo de líquido es bastante
grande, recibe el nombre de lloriqueo (“dumping”) y en el
límite, es decir, al fluir todo el líquido por las perforaciones y
nada por el vertedero se lo denomina lluvia (“raining”).
Para sistemas con altas relaciones de líquido, una pequeña
cantidad de líquido pasando a través de los orificios no
reducirá considerablemente la eficiencia del plato.
Arrastre (entrainment)
El fenómeno opuesto al goteo es el arrastre, el cual consiste en
que el vapor en su ascenso se lleva parte del líquido hacia el
piso superior, con lo cual se disminuye el rendimiento de la
unidad de destilación (ver Figura II.46). Cuando el arrastre de
líquido es moderado el fenómeno se denomina “blowing”,
pues lo que se arrastra es una niebla de líquido. Pero cuando
el caudal del vapor que pasa a través de las perforaciones es
elevado se forma un cono de vapor que arrastra el líquido sin
lograr el contacto entre las dos fases. En este momento el
fenómeno se denomina “coning”.
En general, el arrastre se vuelve importante a bajos flujos de
líquido, altas cargas de vapor y pequeños espaciamientos
entre platos.
Inundación (flooding)
Un tercer fenómeno de gran importancia en la operación de
las torres de destilación, es la inundación, que consiste en que
el nivel del líquido en el vertedero se hace igual al nivel del
líquido en el plato superior. Esto se debe a un incremento de
la presión en el plato inferior, lo que impide el descenso del
líquido y hace inoperable la torre (ver Figura 21). Este
fenómeno de inundación se detecta en la torre porque se
produce un elevado aumento en la pérdida de carga en la
columna y da origen a un mismo valor en las concentraciones
de las corrientes de producto así como una igualdad en la
temperatura.
La inundación es una condición inestable que implica una
acumulación excesiva de líquido dentro de la torre. La altura
del líquido en el bajante y en los platos aumenta hasta llenar
toda la torre de líquido. La acumulación de líquido es
ocasionada generalmente, por uno de los siguientes
mecanismos: inundación por arrastre (régimen “spray” o

“froth”), llenado excesivo del bajante y estancamiento
excesivo de líquido por estrangulamiento del bajante
“downcomer chock”.
Figura 21. Representación de las condiciones limites en los
platos de una columna de destilación. Fuente: IFP, 2015.
Mecanismos de inundación en el plato.
• Inundación por arrastre o inundación por chorro
(entrainment flooding or jet flooding): esta condición se
presenta cuando hay arrastre de líquido de un plato al plato
superior debido a una excesiva velocidad del vapor a través
del área libre de la torre. La inundación por arrastre se
manifiesta a través de dos tipos de régimen: “spray” y
espuma “froth”. El primer régimen se presenta a
velocidades del líquido bajas y velocidades del vapor altas.
El régimen de espuma se genera a velocidades altas de
líquido y de vapor. Para evitar la inundación por cualquiera
de estos regímenes es importante poner cuidado en el
diseño del plato y el espaciamiento entre los platos.
• Inundación por arrastre en forma de rocío: A bajas tasas de
flujo de líquido, los platos operan en régimen de rocío,
donde casi todo el líquido sobre el plato está en forma de
gotas de líquido. A medida que la velocidad de vapor se
incrementa, se alcanza una condición donde la mayor parte
de estas gotas son arrastradas hacia el plato de arriba. El
líquido se acumula en el plato superior en vez de fluir al
plato de abajo (Kister, 1992).
• Inundación por llenado del bajante: El líquido aireado es
retenido dentro del bajante a causa de la caída de presión
en el plato, la altura del líquido en el plato y las pérdidas
por fricción en el bajante aumentan cuando se incrementa
la tasa de flujo de líquido, mientras que la caída de presión
también aumenta con incrementos en el flujo de vapor.
Cuando el líquido retenido en el bajante excede del
espaciamiento en los platos, el líquido se acumula en el
plato de arriba, causando la inundación por llenado del
bajante (Kister, 1992).
• Inundación por obstrucción del bajante (downcomer
chocking): Cuando se incrementa el flujo de líquido, la
velocidad de él en el bajante también aumenta. Cuando
estas velocidades exceden cierto límite, las pérdidas por
fricción en el bajante y en la entrada de éste llegan a ser
excesivas y la mezcla espumosa no se puede transportar al
plato de abajo. Esto causa acumulación de líquido en el
plato de arriba (Kister, 1992).
Especificaciones de Diseño.
El diseño de columnas de destilación involucra una gran
cantidad de parámetros, tales como composición del
producto, flujo de productos, presión de operación, numero de
etapas, localización de la etapa de alimentación, relación de
reflujo, calor suministrado en el rehervidor, calor retirado en
el condensador, diámetro de la columna y altura de la
columna. No todas estas variables son independientes, así el
análisis de grados de libertad es útil para precisar cuántas
variables independientes pueden (y deben) especificarse para
definir completamente el sistema. Un análisis riguroso de los
gados de libertad implica contar el número de variables en el
sistema y restar el número de ecuaciones independientes que
describen el sistema.
En una columna de destilación típica las condiciones de diseño
de la alimentación son: caudal de alimentación (lbmol/h),
composición de la alimentación xF (fracción molar del
componente más liviano), temperatura TF y presión PF.
Generalmente, las composiciones de las corrientes de
producto son conocidas. Considerando una columna con dos
corrientes de producto las especificaciones que se establecen
son las impurezas del componente más pesado en el destilado
(xD,HK) y las impurezas del componente más liviano en el fondo
(xB,LK). El diseñador debe calcular la presión de operación (P),
el número total de etapas (NT) y la ubicación del plato de
alimentación (NF) para obtener la pureza deseada del
producto. Todos los otros parámetros están fijos. Por lo tanto,
el número de grados de libertad son cinco: xD,HK, xB,LK, P, NT y
NF. En consecuencia, si se especifican las composiciones del
producto deseado y la presión, solo hay dos grados de libertad
NT y NF. Así, las cinco variables que se podrían especificar son
el caudal de destilado (D), la relación de reflujo (L/D), Presión
(P), número total de etapas (NT) y ubicación del plato de
alimentación (NF) (Kiss, A.A., 2013).
Para una destilación binaria se especifica, normalmente, la
fracción molar del componente más volátil en el destilado y
producto de fondo. Además suele especificarse la relación de
reflujo externo L/D, el uso del lugar óptimo de alimentación y
el diseñador debe calcular los flujos de destilado y de fondos,
las necesidades de calentamiento y enfriamiento en el
calentador y condensador, la cantidad de etapas necesarias, el
lugar óptimo de la etapa de alimentación y por último el
diámetro necesario en la columna. En la Tabla 1, se muestra un
ejemplo de algunas especificaciones posibles y de variables
calculadas dadas en la literatura (Wankat, P., 2008).
Entre las variables que influyen en el diseño y análisis de la
operación de columnas de destilación binaria se incluyen:
• Flujo de alimentación, composición, temperatura y
condición fásica.
• Grado de separación deseado o especificado

• Presión de operación ( debe estar por debajo de la presión
critica de la mezcla)
• Caída de presión, particularmente para operaciones al
vacío.
• Relación mínima de reflujo y relación de reflujo actual.
• Número mínimo de etapas de equilibrio y numero de
etapas reales (eficiencia de la etapa)
• Tipo de condensador (total, parcial o mixto)
• Grado de enfriamiento del reflujo (Liquido saturado o
liquido subenfriado)
• Tipo de rehervidor (total, parcial)
• Tipo de accesorios (platos o empaques)
• Altura de la columna
• Plato de alimentación
• Diámetro de la columna
• Tipo de internos, y materiales de construcción
• Labilidad térmica y reactividad química de los
componentes de la alimentación.
Balances externos en una columna.
Luego de especificado el problema se deben calcular las
variables desconocidas. Para ello se deben aplicar balances de
materia externos permiten determinar los flujos y
composiciones de las corrientes de entrada y salida en una
columna de destilación y el balance de energía que determina
el flujo de calor que debe suministrarse y retirarse para
alcanzar la separación especificada. La Figura 22 muestra el
esquema de una columna de destilación. Las variables
encerradas en un círculo azul están especificadas, además de
la temperatura de la alimentación, la temperatura del reflujo,
la relación L/D y la presión de la columna.
Figura 22. Esquemático de una columna de destilación
Aplicando el balance de materia global en la envolvente que se
indica en la Figura 22:
F = D + B (Ecuación |)
Tabla II.1. Especificaciones y variables calculadas para
destilación binaria en problemas de diseño.
Variables especificadas
1. Presión de la columna
2. Flujo másico o molar alimentado
3. Composición de la alimentación
4. Temperatura, entalpia o calidad de la alimentación
5. Temperatura o entalpia del reflujo (en general líquido
saturado)
Variables especificadas El diseñador calcula
A
1. Fracción molar del
componente más
volátil en el
destilado, xD
2. Fracción molar del
componente más
volátil en el producto
de fondo, xB
3. Relación de reflujo
externo, L/D
4. Usar el plato óptimo
para alimentación.
Flujo másico o molar en
el destilado (D) y
producto de fondo (B).
Cargas de calentamiento
(qR) y enfriamiento (qC).
Número de etapas, N
Plato óptimo de
alimentación, NF.
Diámetro y altura de
columna.
B
1. Recuperaciones
fraccionarias de
componentes en el
destilado (FRA)Dest y
fondo (FRB)Fondo
externo, L/D
3. Usar el plato óptimo
para alimentación
xB, xD, D , B
qR, qC
N
Nmin
Diámetro de la columna
C
1. D o B
2. xD o xB
externo, L/D
4. Usar plato óptimo
para alimentación
B o D
xB o xD
qR , qC
N y Nmin
D
1. xD y xB
2. Relación de vapor de
fondo, V/B
3. Usar plato óptimo
para alimentación
D y B, qR y qC
N, Nmin
Fuente: Tomado de Wankat, P. 2008.
Y el balance de materia del componente más volátil:
FxF = DxD + BxB (Ecuación 2)

Despejando B de la ecuación (1) y sustituyendo en la ecuación
(2) se tiene,
= ∗ (Ecuación 3)
= − = ∗ (Ecuación 4)
El balance de energía en estado estable en torno a toda la
columna:
F*hF + QR = D*hD + B*hB + QC (Ecuación 5)
Donde se supone que los términos de energía cinética y
potencial son despreciables, que la columna está bien aislada
y es adiabática. Todas las entalpias de la ecuación (5) se
pueden determinar con un diagrama de entalpia-composición
o bien a partir de las capacidades caloríficas y los calores
latentes de vaporización. Es decir,
hF = hF (xF, TF, P), hD = hD (xD, Treflujo, P),
hB = hB (xB, líquido saturado, P)
Dell balance de materia en el condensador de la columna,
V1 = Lo + D (6)
Si el valor de la relación de reflujo (R = L/D) está especificado,
se sustituye en la ecuación (6) y se obtiene:
V1 = D*(R + 1) (7)
Balance de energía en el condensador:
V1*HV1 = Lo*hLo + D*hD + QC (8)
El condensador total cambia la fase de la corriente de vapor
que entra, pero no afecta la composición. El divisor después
del tambor de reflujo los flujos de las corrientes Lo y D, la
composición no cambia. Así, xD = xLo = y1 y hLo = hD.
V1 es el vapor que sale de una etapa de equilibrio en la columna
de destilación, es un vapor saturado. Así,
HV1 = HV1 (y1, vapor saturado, V1)
Esta entalpia puede determinarse mediante el diagrama
entalpia-composición. Entonces,
V1*HV1 = (Lo + D)*hLo + QC → QC = V1*(HV1 – hLo) = V1*λ1
QC = V1*λ1 (9)
Sustituyendo la ecuación (II.9) en la ecuación II.30 se obtiene:
QR = D*hD + B*hB - F*hF + V1*λ1 (Ecuación 10)
En destilaciones multicomponente de j componentes donde se
describen j-1 ecuaciones de balances por componente y j-1
relaciones de equilibrio. También, conocidas como las
ecuaciones de balances de materia y energía en estado
estacionario (MESH):
Balances de masa: + + = +
(Ecuación 11)
Balance por componente: + + =
+ (Ecuación 11)
Balance de energía: ∆ + + +
ℎ = + ℎ (Ecuación 12)
Relaciones de equilibrio: = ! (Ecuación 13)
Estas ecuaciones aplican en cada etapa. Se resuelven en forma
rigurosa y simultánea para cada etapa y para cada
componente. También, pueden simplificarse y resolverse por
procedimientos cortos analíticos o gráficos.
Métodos de cálculo en el diseño de columnas de destilación.
Para analizar y diseñar una torre de destilación, existen varios
métodos y se clasifican en métodos gráficos, métodos cortos y
métodos rigurosos.
En los métodos gráficos solo es posible el análisis de una torre
de destilación con una mezcla binaria, y solo son útiles para un
diseño muy preliminar. Los métodos gráficos más empleados
son el método McCabe-Thiele y el Ponchon-Savarit. El primero
emplea fracciones mol en líquido y en vapor para el análisis,
mientras que el segundo utiliza un diagrama entalpia-
composición molar a presión constante.
Los métodos cortos emplean ecuaciones que relacionan los
parámetros importantes de la torre, sin integrar métodos de
predicción de propiedades en sus cálculos, y son aplicables a
destilación multicomponente. Algunos de estos métodos son
el método de Edmister, el método de Kremser y sus variantes
y el método FUG y sus variantes.
Los métodos rigurosos involucran modelos matemáticos de
predicción de propiedades en sus cálculos para obtener los
parámetros de la torre. Este tipo de métodos son bastante
complejos, de tal manera que ya se encuentran programados
en simuladores de procesos. Estos métodos son cada vez más
usados dada su exactitud y también a que, si bien las
desventajas de su laboriosidad y prolongado tiempo de
cálculo, los programas computacionales dejan de lados estos
aspectos. Algunos ejemplos de estos métodos son punto de
burbuja, método de θ convergencia, método de suma de flujos
(SR), método 2N Newton-Raphson.
Método McCabe-Thiele.
El método McCabe-Thiele es un método grafico que muestra
muy bien los efectos de VLE, la relación de reflujo y el número
de platos. Aunque está limitado a sistemas binarios, los efectos
de los parámetros pueden extenderse a sistemas
multicomponente. Los efectos básicos pueden resumirse
como sigue:
• Cuanto más fáciles sean las separaciones, menor
número de etapas se requerirán y menor será la
relación de reflujo (esto también implica menores
requisitos de energía).
• Cuanto mayor sea la pureza deseada del producto,
mas etapas se necesitaran, pero la relación de reflujo

requerida no aumenta significativamente a medida
que aumenta la pureza del producto.
• Existe una relación entre el número de platos y la
relación de reflujo. Pueden diseñarse un número
infinito de columnas que produzcan exactamente los
mismos productos pero que tengan alturas,
diámetros y requerimientos de energía diferentes.
Por lo tanto, la selección optima de la columna implica
tanto requerimientos en estado estacionario
económicos como de controlabilidad dinámica
• Se requieren los valores mínimos del número de
etapas (Nmin) y de la relación de reflujo (Rmin)
necesarios para una separación dada.
Todo lo antes mencionado se puede comprobar
visualmente utilizando el método McCabe-Thiele. Si se
considera el esquema de la columna mostrado en la Figura
22, especificados el flujo y composición de la
alimentación, y las composiciones de los productos de
tope y fondo, los flujos molares de D y B pueden calcularse
con las ecuaciones 3 y 4.
Igualmente, se asume que la presión ha sido especificada,
de modo que el equilibrios V-L esta fijo. Igualmente, si la
relación de reflujo está dada puede calcularse el flujo de
reflujo, Lo. El método McCabe-Thiele asume flujo molar
constante en cada sección de la columna, es decir que los
flujos de líquido y vapor se consideran constantes en cada
sección de la columna. Por ejemplo, el flujo de líquido en
la sección de rectificación L, es igual al flujo del reflujo, Lo.
Así, del balance en el tope de la columna se tiene que el
flujo de vapor V, es V = L+ D. Este método usa el diagrama
xy cuyas coordenadas son la fracción molar del
componente más ligero en fase liquida x, y la fracción
molar del componente más ligero en fase de vapor y. Se
traza la curva de equilibrio V-L a la presión seleccionada y
la diagonal (línea de 45ᵒ), luego las fracciones molares,
especificadas, de las corrientes de producto se ubican
sobre la diagonal de 45ᵒ.
En la figura 23 se muestra la construcción de la línea de
operación de la zona de rectificación o enriquecimiento
(LOR) y en la figura 24 se muestra la construcción de la
línea de operación de la zona de agotamiento o
empobrecimiento (LOE). La línea LOR es una línea recta
con pendiente igual a la relación de los flujos de líquido y
vapor en la zona de rectificación:
"#$%&#$'# () = =
*
=
+
+
Ecuación 14)
La línea LOR intersecta a la diagonal de 45ᵒ en el punto de
la composición del destilado, xD, como se muestra en la
Figura 25, Los flujos de vapor y liquido en la zona de
agotamiento (V’ y L’) puede calcularse si la condición
termodinámica de la alimentación esta especificada o
puede determinarse. Así, la temperatura, presión y
composición de la alimentación están dadas, la fracción de
la alimentación que es líquida – se define como q- puede
ser calculada mediante la aplicación de un flash
isotérmico.
Figura 23. Construcción de la línea de operación de la zona
de rectificación. Fuente. Kiss, A. 2013.
Figura 24. Construcción de la línea de operación de la zona
de empobrecimiento. Fuente: Kiss, A., 2013.
Conocido el valor de q, los flujos de líquido y vapor en la
sección de agotamiento pueden calcularse. Si la
alimentación es liquido saturado, q = 1 y si la alimentación
es vapor saturado, q = 0:
, =
-
(Ecuación 15)
.
= + , (Ecuación 16)
.
= .
− (Ecuación 17)
La línea de operación de la zona de agotamiento es una
línea recta de pendiente L’/V’ que intercepta a la diagonal
de 45ᵒ en la composición del producto de fondo, xB. Como
se observa en la Figura 25, la pendiente de la línea LOR es
una constante L/V. con V > L y L/V < 1,0. Igualmente, la
pendiente de la línea LOE es L’/V’, donde L’ > V’ y L’/V’ <
1,0. Note que las líneas de operación de la columna tienen
un punto de intersección común,(ver Figura 25). La

pendiente de la línea q o LOA es −
/
/
, la cual hace la
construcción del diagrama McCabe-Thiele muy sencillo:
Figura 25. Líneas de operación y número de etapas por el
método McCabe-Thiele. Fuente: Kiss, A., 2013.
• Ubicar las tres fracciones molares sobre la
diagonal (línea de 45ᵒ), xD, xF y xB.
• Trazar la línea LOR desde el punto xD con
pendiente ) () + 1)
⁄
• Trazar la línea q (LOA) desde el punto xF con
pendiente − , (, − 1)
⁄ .
• Trazar la línea LOE desde el punto xB hasta
intersección de la línea q y la línea LOR.
Ahora se presentan las líneas de operación de la zona de
rectificación y empobrecimiento en función del punto de
intersección de las dos líneas, yint y xint,
LOR: 4 5 = 4 5 +
*
(Ecuación 18)
LOE: 4 5 =
.
. 4 5 −
6
.
(Ecuación 19)
Restando las ecuaciones anteriores se tiene,
( − ′) 4 5 = ( − .) 4 5 + ( * + 6) (Ecuación 20)
El último término del lado derecho de la igualdad es
= * + 6 . Y de las ecuaciones de balance en el
plato de alimentación ( − ′) = (1 − ,) ; ( − ′) = −,
.Sustituyendo estas interrelaciones en la ecuación dada
previamente se obtiene,
(1 − ,) 4 5 = −, 4 5 + (Ecuación 21)
=
/
/ 4 5 +
/
(Ecuación 22)
Esta es la ecuación de una línea recta con pendiente
−, (1 − ,)
⁄ . El valor de q se obtiene aplicando la ecuación
(15) o mediante la relación entre la diferencia de la entalpia de
vapor y la entalpia de la alimentación y la diferencia entre la
entalpia de vapor y la entalpia del liquida, como se muestra en
la ecuación (23).
, =
89 :
89 :;
(Ecuación 23)
Donde:
HV: entalpia de la alimentación si se considera que entra en su
punto de Rocío
hL: entalpia de la alimentación si se considera que entra en su
punto de burbuja
hF: entalpia de la alimentación a las condiciones de la
alimentación.
Por tanto, si la alimentación entra como liquido saturado (está
a su temperatura de ebullición a la presión de la columna),
entonces hF = hL y el numerador de la ecuación (23) es igual al
denominador, por lo tanto q = 1,0 y la pendiente de la línea de
alimentación es infinita, ∞, y la dirección de la línea de
alimentación es vertical, como puede verse en la Figura II.14a.
El razonamiento es análogo para cualquiera de las condiciones
de la alimentación y por tanto, “q” tiene los siguientes valores
numéricos para las distintas condiciones termodinámicas (ver
Tabla 1):
Figura 26. Condiciones térmicas de la alimentación.
Tabla 1. Limitaciones del valor de q por cada condición térmica
de la alimentación. Fuente: Tomado de Wankat, P., 2008.
Igualmente, de la ecuación (23) se deducen las ecuaciones
para el cálculo del valor de “q”, cuando la condición
termodinámica de la alimentación es líquido frio y vapor
sobrecalentado, de acuerdo las condiciones especificadas en la
Tabla 1,

Si la alimentación es líquido frío,
, = 1 +
<=;(>? > )
@
(Ecuación 24)
Y si es vapor sobrecalentado,
, = −
<=9(> >A)
@
(Ecuación 25)
Donde:
CPL, CPV: calores específicos del líquido y el vapor,
respectivamente.
TF: Temperatura de la alimentación
Tb, TR: temperatura de la alimentación en su punto de burbuja
y en su punto de rocío, respectivamente.
λ: calor latente de vaporización de la mezcla de alimentación.
La línea de alimentación resulta de la intersección de las líneas
de operación superior e inferior. Por ello, representa todos los
lugares posibles en los que se pueden cruzar las dos líneas de
operación para determinada alimentación (xF, q). Así, al
cambiar la relación de reflujo, cambia el punto de intersección
pero todos en la línea de alimentación, como se muestra en la
Figura 27A. Si varía la condición termodinámica y la relación de
reflujo es fija, cambia el punto de intersección como se
muestra en la Figura 27B.
Figura 27. Intersección con la línea de operación: A) cambio de
la relación de reflujo con q constante; B) variación de q con la
relación de reflujo constante. Fuente: Wankat, P., 2008.
A continuación, el número de etapas puede determinarse
mediante el trazado de una línea vertical desde la composición
del producto de fondo, xB, hasta la curva de equilibrio, punto
que corresponde a la composición del vapor (yB) si el
rehervidor es parcial, Luego se traza una línea horizontal hasta
la línea de operación de la zona de agotamiento (LOE) y se
obtiene la composición del líquido en el plato 1 (cuando se
numera de fondo a tope de la columna). Este procedimiento se
repite, trazando una línea vertical hasta la curva de equilibrio
obteniendo y1 y luego horizontalmente hasta LOE para obtener
x2 y así sucesivamente hasta alcanzar la composición del
producto de tope, xD. El triángulo trazado sobre la intersección
de la tres líneas de operación corresponde al plato óptimo de
alimentación.
El número mínimo de etapas para una operación especificada
corresponde a una operación a reflujo total. Al operar la
columna bajo estas condiciones el flujo de destilado es cero (D
= 0). Además, la relación de reflujo es infinita y la pendiente de
la línea de operación es la unidad y esta línea se corresponde
con la diagonal de 45ᵒ. Por tanto el número mínimo de etapas
puede determinarse trazando líneas verticales desde la
diagonal de 45 hasta la curva de equilibrio y luego líneas
horizontales hasta la diagonal de 45, desde xB hasta xD, como
se muestra en la Figura 28.
El reflujo total representa la separación máxima que puede
obtenerse con determinada cantidad de etapas pero cero
capacidad. Aunque es simple, el reflujo total puede causar
problemas de seguridad. Las fugas cerca de la parte superior
de la columna pueden causar concentraciones de materiales
con alto punto de ebullición, con un aumento correspondiente
de temperatura. Eso puede causar polimerización, incendios o
explosiones (Kister, H., 1990). Por tanto, el número mínimo de
etapas de equilibrio depende del grado de separación de los
dos componentes de la mezcla binaria y de su volatilidad
relativa, pero es independiente de la condición fásica de la
alimentación.
La relación de reflujo mínima para una separación especificada
corresponde a un número infinito de etapas. Usualmente
ocurre cuando la intersección de las tres líneas de operación
se da exactamente sobre la curva de equilibrio, esta condición
se conoce como punto pinch, punto de estricción o punto de
composición constante (ver Figura 28). La relación mínima de
reflujo se calcula con la pendiente de la LOR a condiciones
limites o gráficamente con el punto de corte de la misma
ecuación.
=
+BC
+BC
+
+BC
(ecuación 26)
Figura 28. Método McCabe-Thiele reflujo mínimo y
número mínimo de etapas

En sistemas altamente no ideales el punto de estricción puede
ocurrir por encima o por debajo del palto de alimentación,
como puede observarse en la Figura 29.
Figura 29. Reflujo mínimo: a) estricción en la etapa de
alimentación; b) estricción tangente por encima del plato de
alimentación y c) estricción tangente por debajo del plato de
alimentación. Fuente: Henley, E. J., y Seader, J. D., 1998.
Basados en el diagrama McCabe-Thiele pueden tenerse en
cuenta ciertas observaciones, que aplican a todos los tipos de
destilación y columnas de destilación, no es específico para
destilación binaria:
• Cuanto más lejos este la curva de equilibrio vapor liquido
(EVL) de la diagonal, menor será la pendiente de la línea
de operación de rectificación (LOR), lo que significa una
menor relación de reflujo y, por tanto menores
requerimientos de energía.
• Mientras más fácil sea la separación, menos etapas serán
necesarias para la separación deseada.
• Cuanto mayor sea la pureza del producto, mas etapas
serán necesarias para una separación determinada.
• El aumento de la pureza del producto no tiene efecto
significativo sobre la relación de reflujo.
• El incremento de la relación líquido vapor en una sección
de la columna aumenta la separación que se produce en
esa sección.
Eficiencias.
Al determinar el número de etapas de contacto se ha supuesto
que las fases que salen de las etapas están en equilibrio
termodinámico. En equipos industriales de múltiples etapas en
contracorriente no resulta práctico utilizar un tiempo de
residencia y un íntimo contacto entre las fases suficiente para
alcanzar el equilibrio. Por tanto, las variaciones de
concentración que tienen lugar en cada una de las etapas
resultan menores que las que se obtendrían a partir de las
condiciones de equilibrio. Para comparar el funcionamiento de
una etapa real y una de equilibrio, usamos una medida de la
eficiencia; eficiencia global, eficiencia de Murphree (en el
vapor y en el líquido) y eficiencia puntual.
La eficiencia global de etapas (εo) para un separador
determinado puede definirse como la relación entre las etapas
teóricas o platos teóricos y las etapas reales o platos reales. La
determinación de la cantidad de etapas de equilibrio
necesarias para la separación indicada no debe incluir un
vaporizador (rehervidor) parcial ni un condensador parcial.
DE =
FGHIHJ KL LMNOPOQROE
FGHIHJ RLHPLJ
∗ STT (Ecuación 27)
Esta eficiencia depende de i) la geometría y diseño del plato de
contacto; ii) los flujos de las corrientes de líquido y vapor y iii)
las propiedades y composiciones de las corrientes de líquido y
vapor (Treybal, R., 1981), Esta eficiencia depende de i) la
geometría y diseño del plato de contacto; ii) los flujos de las
corrientes de líquido y vapor y iii) las propiedades y
composiciones de las corrientes de líquido y vapor (Treybal, R.,
1981).
La predicción y correlación de eficiencia global para torres de
destilación de platos es bastante segura para casos donde
todas las torres consideradas traten sustancias similares a
temperaturas y relaciones de reflujo similares y con diámetros
y diseños de platos similares. Una regla común en refinería es
decir que la eficiencia global para destilación de hidrocarburos
a temperatura ambiente o superiores es aproximadamente
60% (King, J., 1979).
Una eficiencia frecuentemente utilizada para describir el
comportamiento de un plato determinado para un
componente dado es la eficiencia de Murphree, EM (1925) de
un plato, donde se asume que el vapor y el líquido en el plato
están bien mezclados y que tienen una composición uniforme.
Esta eficiencia puede definirse tomando como base una u otra
fase y, un componente dado, es igual a la composición real de
la fase dividida por la variación prevista por consideraciones de
equilibrio, como se muestra en la Figura 30.
Figura 30. Esquema de flujos de vapor y líquido en un plato
perforado para la eficiencia de Murphree. Fuente: Geankoplis,
C. J. 1998.
FUV =
WX WX S
WX
∗ WX S
=
YHZQOE RLHP LX LP [HIER
YHZQOE LX LP [HIER LX LP LMNOPOQROE
(Ecuación 28)
Las eficiencias de Murphree en el líquido o en el vapor se
utilizan en forma gráfica sobre el diagrama xy. Estrictamente
las eficiencias globales solo tienen significado cuando la

eficiencia de Murphree es igual en todos los platos de la
columna y cuando las líneas de equilibrio y de operación son
rectas en las concentraciones consideradas (Treybal, R., 1980).
En el trazado de las etapas representa la distancia que ha de
tomarse desde la línea de operación hasta la línea de equilibrio
de forma que solo se avance un porcentaje de EMV o EML del
recorrido total medido en dirección vertical u horizontal,
respectivamente. Esto se representa en la Figura 31a para el
caso de la eficiencia de Murphree en fase de vapor y en la
Figura 31b en el caso de eficiencia de Murphree en fase líquida.
A continuación se muestran algunos valores típicos de la
eficiencia de Murphree en fase de vapor, EMV:
• Destilación en columnas de platos: 60-90%
• Absorción de un gas en un aceite pesado o para la
absorción en un sistema químicamente reaccionante: 3-
40%
• Extracción líquido-líquido:
Sistema mezclador-sedimentadores: 85-100%
Columnas extractoras: 15-50% por plato
Figura 31. Eficiencia de Murphree: a) basada en el vapor EMV;
b) basada en el líquido, EML. Fuente: Henley, E. J.; Seader, J. D.,
1998.
En general, la eficiencia de un plato depende de la velocidad
del vapor. Los platos se diseñan para obtener una eficiencia
máxima a las condiciones de diseño. A mayores velocidades de
vapor, aumenta el arrastre, cuando el arrastre se vuelve
excesivo, la eficiencia disminuye. A velocidades de vapor
menores que la de diseño, la transferencia de masa es menos
eficiente. A velocidades muy bajas, el plato comienza a gotear
y la eficiencia disminuye también. Los platos con buenas
características de rechazo tienen un ancho máximo, por lo que
se pierde poco en la eficiencia cuando disminuye la velocidad
del vapor.
Dos correlaciones han tenido un uso considerable. La corre-
lación de Drickamer y Bradford (1943) basada en datos
experimentales de 84 destilaciones de mezclas de
hidrocarburos en refinerías de petróleo.
Esta correlación relaciona la eficiencia global a la viscosidad
promedio molar de la alimentación a las condiciones de la
alimentación. Esta ecuación se aplica cuando 0.07 mPa.s < µF
= ∑xiF µif < 1.4 mPa.s.
] = 0,17 − 0,6161bcd ∑ C
∗ f4
4 ( Ecuación 29)
donde,
xi,F = fracción molar de cada componente en la alimentación
µif = viscosidad de cada componente a la temperatura
promedio de la alimentación (mPa.s)
O'Connell (1946) modificó la correlación de Drickamer y
Bradford cambiando el parámetro de correlación por el
producto de las volatilidades relativa de los componentes
claves y la viscosidad de la alimentación, ambas evaluadas a la
media aritmética de las temperaturas de tope y fondo, como
se muestra en la Figura 32. La eficiencia disminuye a medida
que aumenta la viscosidad debido a que las tasas de
transferencia de masa son menores. Y también disminuye a
medida que aumenta la volatilidad relativa porque aumenta la
masa que debe transferirse para alcanzar el equilibrio. Es
probable que O’Conell estudiara columnas de copas de
burbujeo, así los resultados son conservadores para platos de
válvula y perforados.
Figura 32. Correlación de O’Conell para eficiencia global de
columnas de destilación. Fuente: Wankat, P., 2008.
Wankat en 2008 (O’Brien y Shultz, 2004) indican que muchas
torres petroquímicas se diseñan con eficiencias de etapa en la
región de 75 a 80%. Los sistemas de vacío, que no se incluyen
en la correlación de O’Conell, tienen eficiencias entre 15 a
20%.
La correlación de O`Connell fue modificada por Chu y col. para
tomar en cuenta la altura efectiva sumergida de líquido hL y la
relación L/G.
Para fraccionadores:
PEgDE = S, hi + T, jT ∗ PEg
k
l
− T, mn ∗ PEg(okp) + T, jT ∗ qk (30
• L,G se expresan en kmol/s,
• µL es la viscosidad del líquido de alimentación (mPa.s),
• α es la volatilidad relativa de los componentes claves y
• hL es la altura efectiva sumergida de líquido (m);

La altura hL depende del tipo de plato:
Platos de burbujeo: hL es la distancia desde el tope de la ranura
hasta el tope del vertedero de salida, más la mitad de la altura
de la ranura.
Platos perforados: hL = hw
Platos de válvula: hL es la altura de líquido sobre la base de la
abertura de la válvula.
Otras situaciones en columnas de destilación: múltiples
alimentaciones, salidas laterales e inyección directa de
vapor.
Por lo general, las columnas básicas están constituidas por una
corriente de alimentación y dos corrientes de producto,
producto de tope o destilado y producto de fondo o cola, y
operan con un condensador total y un rehervidor parcial. Una
de las típicas modificaciones que pueden presentarse son: el
uso de un condensador parcial, un rehervidor total, la
ubicación de la alimentación: columnas de agotamiento la
alimentación entra por la parte superior y columnas de
enriquecimiento la alimentación entra por la parte inferior,
inyección directa de vapor, vaporizadores intermedios y
condensadores intermedios, corrientes laterales o líneas de
salidas y múltiples alimentaciones. A continuación se
describen en forma breve los aspectos básicos de algunas de
ellas.
Muchas columnas de destilación son diseñadas para que el
reflujo sea líquido saturado (punto de burbuja) pero no
siempre es así. En la operación de la columna con un
condensador parcial, el reflujo es un líquido saturado a menos
que ocurran perdidas de calor. Para un condensador total, sin
embargo, el reflujo es frecuentemente líquido subenfriado si
el diseño del condensador no está bien ajustado, resultando
que la temperatura de burbuja del destilado sea más alta que
la temperatura de entrada del agua de enfriamiento. Si la
presión de salida del condensador es inferior a la presión del
plato superior, el reflujo será subenfriado para los tres tipos de
condensadores.
Cuando el reflujo subenfriado entra al plato del tope, este
líquido debe calentarse hasta su punto de ebullición. Esta
energía debe venir del vapor condensante en la etapa superior.
Así, los flujos en la primera etapa son diferentes a las del resto
de la sección de rectificación. Ahora bien, L/V no se puede
calcular en forma directa a partir de la relación de reflujo
externa (L/D), porque L y V cambian en la etapa superior. Al
aplicar un balance de energía en el plato del tope, se obtiene
una ecuación que permite estimar la relación de reflujo
interna,
)4 5rs ] = ) 1 +
<=;∗∆>tu?v wxCyBCv z{
∆8|y} (31)
Donde:
CPL: Capacidad calorífica, en unidades molares
ΔHvap
: calor latente de vaporización, en unidades molares
ΔTsubenfriamiento: es el grado de subenfriamiento
El reflujo interno reemplaza al reflujo externo en la ecuación
de la línea de operación de la zona de rectificación en función
del reflujo (W =
~
~ S
• +
•€
~ S
) . Si no se realiza la corrección
del reflujo subenfriado, el número calculado de etapas de
equilibrio es algo más de lo requerido. (Henley, J. D.; Seader, E.
J. y Roper, K., 2011).
En algunos casos la alimentación que va a separarse no se
introduce en un punto intermedio a lo largo de la altura de la
columna, sino que se añade por la parte superior o inferior de
la columna y, es lo que se conoce como columnas de
agotamiento (empobrecimiento) o columnas de rectificación
o enriquecimiento. En este tipo de columnas solo están
presentes dos secciones o zonas, la de agotamiento y la de
alimentación como se observa en la Figura 33, para el caso de
la columna de empobrecimiento. La alimentación debe ser un
líquido subenfriado o saturado, no se usa reflujo y
generalmente no tiene condensador. El producto de fondo
puede ser muy puro en el componente menos volátil, pero el
vapor destilado no será muy puro.
Figura 33: Esquema de una columna de empobrecimiento.
Fuente: Geankoplis, C. J., 1998.
La forma de las líneas de operación en este tipo de columnas
son las mismas que en las columnas sencillas. Y por lo general,
en estas columnas se especifica la relación de reflujo inferior
(V’/B), entonces no se especifica yD, pero es posible
determinarla fácilmente. En la Figura 34 se muestra un
diagrama McCabe-Thiele para una columna de agotamiento.
Figura 34. Diagrama McCabe-Thiele para una columna de
agotamiento. Fuente: Wankat, P., 2011

El análisis para columnas de enriquecimiento es análogo al de
una columna de agotamiento, a diferencia de, en lugar de la
línea de agotamiento, se grafica la línea de enriquecimiento y
alimentación. En la Figura 35, se muestra un esquema de la
columna de enriquecimiento.
Figura 34. Columna de enriquecimiento. Fuente: Wankat, P.,
2011.
Columnas de Inyección de vapor.
Generalmente el suministro de calor en una columna de
destilación se aplica mediante un intercambiador de calor
(rehervidor) y el fluido de calentamiento no tiene contacto con
la mezcla a separar. Sin embargo, cuando se destila una
solución acuosa de un compuesto A (más volátil) el calor
requerido se puede suministrar inyectando directamente
vapor de agua al fondo de la torre. En este caso no es necesario
el rehervidor.
El vapor se inyecta al líquido en forma de pequeñas burbujas
en el fondo de la columna, como se observa en la Figura 35.
Así, el vapor que se separa del líquido está en equilibrio con él,
cuando se obtiene suficiente contacto.
Aplicando los balances de materia global y en el componente
más volátil en el volumen de control especificado con las líneas
punteada gris.
F + S = D + B (32)
F*xF + S*yS = D*xD + B*xB (33)
Donde, S (o V) es generalmente vapor de agua puro, es decir
yS = 0. La línea de enriquecimiento y la de alimentación son las
mismas que para vapor indirecto.
Para la línea de agotamiento los balances de materia en el
componente más volátil (línea punteada marrón) se muestran
a continuación:
Lm*xm + S*yS = Vm+1*ym+1 + B*xB (34)
De acuerdo al supuesto McCabe-Thiele flujos molares
constantes, quiere decir que
Lm = Lm-1 =… = L’ y Vm+1 = Vm+2 =… = V’, de alii que la ecuación de
la línea de operación de la zona de agotamiento de columnas
sencillas se puede escribir de la siguiente forma:
L’*xL = V’*yV’ + B*xB (35)
Figura 35. Esquema de una columna de destilación con
inyección directa de vapor. Fuente: Tomado de Geankoplis, C.
J., 2000.
Para la entrada del vapor saturado V’ = S y B = L’ y la ecuación
(35) resulta:
W =
•
‚
• −
•∗••
‚
(36)
Si y = x, la ecuación 35 resulta:
• =
•∗••
• ‚
(37)
La ecuación (37) representa el punto de intersección de la línea
de agotamiento con la diagonal de 45°.
Si y = 0, de la ecuación 35 se obtiene que x = xB.
Así, la línea de agotamiento se traza desde la intersección de
la línea de rectificación y la línea de alimentación hasta xB en el
eje x, como se muestra en la Figura 36.
Figura 36. Líneas de operación y de equilibrio para columnas
de destilación binaria con inyección directa de vapor. Fuente:
Geankoplis, C. J., 2000. Múltiples alimentaciones y salidas
laterales.

En algunas ocasiones una columna es alimentada con dos o
más corrientes, que ingresan por diferentes etapas. Estas
columnas son útiles en los casos en que una pequeña cantidad
de un contaminante volátil está presente en la alimentación.
En este caso el producto de tope es el contaminante y el
producto lateral es el producto deseado. En ocasiones,
alimentaciones de composición diferente pueden ser
fraccionadas más eficientemente introduciéndolas en puntos
diferentes en la columna. No son comunes en sistemas
binarios y el uso del diagrama McCabe-Thiele es útil para el
entendimiento de los principios de operación de estas
columnas (Maddox, R.; Hines, A., 1985). En la Figura 37a se
muestra un arreglo de una alimentación y múltiples salidas
laterales y en la Figura 37b múltiples alimentaciones sin salidas
laterales.
Una salida lateral, P puede estar en la zona de rectificación, en
la zona de agotamiento o entre las múltiples alimentaciones
como vapor o líquido saturado. Para el balance de materia P y
xP, ambas pueden estar especificadas. En la Figura 37, la
corriente P está en la zona de rectificación porque está por
encima de la alimentación y su condición termodinámica es
líquido saturado. En la etapa de retiro de la corriente P, L’ = L
– P, mientras que V = V’. Las líneas de operación en cada uno
de los entornos se obtienen realizando los balances de materia
en el componente más volátil en cada uno de ellos. La columna
compleja es dividida en N-1 entornos, donde N es el número
de entradas y salidas de la columna. En la figura 38 se muestra
un esquema de las columnas complejas con múltiples salidas
laterales y sus respectivas zonas o entornos.
Figura 37. Esquema de columnas de destilación: a) múltiples
salidas laterales y b) múltiples alimentaciones.
Aplicando los balances de materia con respecto al componente
más volátil en cada uno de los entornos mostrados en la Figura
38, se obtienen las líneas de operación en la columna,
Entorno I: W =
k
V
• +
€∗•€
V
E W =
~
~ S
• +
•€
~ S
Entorno II: W =
k.
V.
• +
€∗•€ ƒ∗•ƒ
V.
Entorno III: W =
k..
V..
• −
•∗••
V..
Entorno IV: W =
M
M S
• −
•„
M S
Figura 38. Esquema de los entornos en columnas con múltiples
salidas laterales.
La construcción del diagrama McCabe-Thiele determina la
localización de la etapa de la corriente lateral P (ver Figura 39).
Sin embargo, esta no es localizada directamente sobre xP.
Figura 39. Trazado de las líneas de operación para una columna
de destilación con una alimentación y salidas laterales (líquido
saturado).
Al igual que en múltiples salidas laterales las columnas con
múltiples alimentaciones se dividen en N-1 entornos, como se
muestra en la Figura 40, y se aplican los balances de materia
en el componente más volátil y así obtener las líneas de
operación en cada entorno, como se muestran a continuación:
Entorno I: W =
k
V
• +
€∗•€
V
E W =
~
~ S
• +
•€
~ S
Entorno II: W =
k.
V.
• +
€∗•€ „S∗•„S
V.
Entorno III: W =
k..
V..
• −
•∗••
V..
Entorno IV: W =
M
M S
• −
•„m
M S

Figura 40. Esquema de los entornos en columnas con múltiples
alimentaciones.
Como puede observarse, este esquema no afecta el balance de
materia relacionado con la sección de la columna por encima
del plato de alimentación superior F1. La sección de la columna
comprendida entre el punto superior de alimentación y el
punto inferior de alimentación F2, está representada por una
línea de operación con pendiente L’/V’ que intersecta con la
línea de operación superior con pendiente L/V y la
alimentación F1 (ver Figura 41). Para la sección de agotamiento
de la columna el análisis es análogo. Por consiguiente, se
puede aplicar los fundamentos gráficos de McCabe-Thiele, tal
como se muestra en la Figura 37a, donde la alimentación F1 es
líquida en su punto de burbuja y los flujos internos de líquido
y vapor son V = V’ y L’ = L + F1 mientras, la alimentación F2 es
vapor en su punto de rocío y los flujos internos de líquido y
vapor son V’’ = V’ – F2 y L’’ = L’.
Figura 41. Trazado de las líneas de operación para una columna
de destilación con varias alimentaciones (líquido saturado,
vapor saturado) sin salidas laterales.
Extensión del método McCabe-Thiele a columnas complejas.
La extensión del diagrama x-y a columnas que contienen una
segunda alimentación o productos laterales ha sido discutida
por varios autores. Kister (1992) extiende el diagrama McCabe-
Thiele a columnas que tienen múltiples alimentaciones,
múltiples salidas laterales, múltiples puntos de remoción y
adición de calor y combinaciones de ellos. Divide el
fraccionador complejo en N+1 secciones (Figura 42). Las
fronteras entre cada dos secciones adyacentes se producen en
un punto de alimentación, un punto de salida lateral, un punto
de remoción de calor, o un punto de adición de calor. En la
Tabla 1, se muestran las ecuaciones que aplican a cada sección
“J” en la columna compleja.
Estas ecuaciones aplican tanto a columnas con varias
alimentaciones y sin salidas laterales como a aquellas
columnas donde también existen productos laterales. Se debe
considerar a las salidas laterales como corrientes de retiro, es
decir Fk = -Pk.
Si el calor es removido (vía intercondensador) o adicionado (vía
interrehervidor) las siguientes ecuaciones anteriores aún se
aplican cada origen de remoción o adición de calor es tratada
en dos secciones simultaneas, una de la cual sale una corriente
de la columna y la otra al que vuelve a entrar la corriente a la
misma composición. Las dos zonas se denotan como k’ y k,
respectivamente. En la remoción de calor, la corriente de
salida es vapor saturado, y la corriente de retorno es liquido
condensado; lo contario aplica para adición de calor (Kister, H.,
1992). Se aplican las siguientes ecuaciones:
Fk = ΔH/HV
qk = 1 para remoción de calor y qk = 0 para adición de calor
xFk = composición de la corriente de extracción o retorno de la
columna
Pk’ = - Fk
Qk’ = 0 para remoción de calor y Qk’ = 1 para adición de calor
xPk’ = xFk
Figura 42. División de un fraccionador complejo en N+1
secciones en los puntos de entrada de alimentación,
remociones laterales, y adición o remoción de calor. Fuente:
Tomado de Kister, H., 1992.

En el punto de remoción o adición de calor no hay entrada o
salida neta de material, por lo tanto, la ecuación de la línea q,
no puede ser usada para determinar el reflujo mínimo para la
sección sobre estos puntos.
En la Tabla .2, se muestra la analogía entre las ecuaciones para
columnas simples y complejas, ya que una columna simple
puede considerarse como una columna compleja, donde la
sección 1 es la zona de rectificación y la sección 2 es la zona de
agotamiento.
Tabla II.1. Ecuaciones que se aplican a cada sección “J” de un
fraccionador complejo
Caudal de liquido Caudal de vapor
… = ) + † ,‡ ‡
…
‡ˆ
… = () + 1) + †(,‡
…
‡ˆ
− 1) ‡
Línea de balance por componente
= ‰
…
…
Š +
* − ‹∑ ‡ Œ
…
‡ˆ •
…
Punto de intersección de la línea de balance por
componente con la diagonal de 45°
4 5 =
‹∑ ‡ Œ
…
‡ˆ • − *
‹∑ ‡
…
‡ˆ • −
Línea q
= ‰
,…
,… − 1
Š −
Ž
,… − 1
Intercepto de la línea de balance por componente sobre el
eje y
(•) =
* − •∑ ( ‡⁄ ) Œ
…
‡ˆ ‘
() + 1) + •∑ ( ‡⁄ )(,‡ − 1)
…
‡ˆ ‘
Fuente: Tomado de Kister, H., 1992
Tabla 2. Analogía entre las ecuaciones de una columna simple
y una columna compleja.
Fuente: Kister, H., 1992.

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