Fundamentos de Fraccionamiento parte2

1. PERFILES DE TEMPERATURA, FLUJO Y
CONCENTRACIÓN

2. Tambor
de
reflujo
DESTILADO
o Producto
de Tope
Fluido de
enfriamiento
Línea superior
CONDENSADOR
Reflujo
externo
Tambor
de reflujo
REHERVIDOR
Medio de
Calentamiento
RESIDUO
o producto
de fondo
Alimentación
Zona de
Rectificación
Zona de
Agotamiento
Introducción. Sistemas de control básicos

3. Introducción. Sistemas de control básicos
La instrumentación y equipos de control en una columna
convencional incluyen:
1. Un controlador de presión en el tope de la columna (PC)
2. Un controlador del reflujo externo (FC)
3. Un controlador de flujo en el rehervidor
4. Registradores de flujo (FR) para la alimentación,
productos y fluido caliente en el rehervidor

4. Introducción. Sistemas de control básicos
5. Medidores de temperatura con indicadores o
registradores (TI, TR)
• Tambor de reflujo
• Tope de columna
• Zona de rectificación
• Zona de despojamiento
• Fondo de columna
• Alimentación a la entrada de la columna
• Fluido caliente a la entrada y salida del rehervidor
6. Analizadores (AR)

5. Introducción. Sistemas de control básicos
Los datos obtenidos por la instrumentación (temperatura,
flujos, presión, análisis,..) permiten valorar la operación de la
columna basados en:
• Balances de materia en la columna
• Perfil de presión interno y control de la presión
• Balances de energía, calor en el condensador y en el
rehervidor
• Perfil de temperatura y concentración.

6. Producto de tope
Línea de
separación
B,
Producto
de Fondo
Alimentación
Componentes no distribuidos a, e, j
Componentes distribuidos b, c, d
Punto de
Corte
B
Balance de materia global Punto de corte
Poder de separación línea de Separación
Clave Ligero: el más pesado de los ligeros c
Clave pesado: el más liviano de los pesados d

7. Balance de materia
SEPARACIÓN DE BENCENO
BENCENO
(37,458)
TOLUENO
(9,452)
ETILBENCENO
(9,102)
PARAXILENO
(77,192)
METAXILENO
(15,801)
ALIMENTACIÓN
BENCENO
AROMÁTICOS
Temperatura (ºC)
Presión (atm)
Flujo molar (kmol/h)
Calor, Duty (t/h)

8. Perfil de presión
La presión de operación en una columna de destilación esta
determinada por las condiciones que surgen de la
condensación en el condensador o en el tambor de reflujo
Preferencia Pvapor o
Pburbuja del líquido
destilado.
Depende de la
composición y
temperatura del
destilado
CONDENSADOR
Caída de presión
Caída de
Presión en
los platos
Ptambor
Psuperior
PFondo
B
∆PC 200 – 500 mbar

9. La temperatura del tambor del reflujo, TD, depende del fluido
de enfriamiento:
• Si el fluido de enfriamiento es agua o aire TD es
aproximadamente 30 a 50 ºC
• Si las temperaturas críticas de los componentes en el
destilado son más bajas que a temperatura ambiente, TD
es mas baja y se usa un refrigerante.

10. • La velocidad obtenida por el vapor en el área activa del
plato (caída de presión en plato seco).
• La resistencia ejercida por la capa de líquido sobre el
plato (caída de presión debida al paso del vapor a través
de la fase líquida).
Caída de presión en el plato, ∆PP

11. Vapor
ÄREA ACTIVA
Bajante
Vertedero
∆P : Caída de presión por plato
hb : Altura del vertedero
e : Altura de líquido bajo el vertedero
hpL : Caída de presión en el manómetro en U
hpV : Caída de presión del vapor
Bajante
aguas abajo
Bajante
aguas arriba
Vapor
∆PP varia de 3 - 20 mbar

12. La altura total del líquido, H, sobre el nivel del plato
corresponde a la suma de las siguientes alturas:
• Altura del derramadero, hb, 30 a 70 mm por diseño.
• Altura del líquido sobre el derramadero, e: depende del
flujo de líquido
• Altura de líquido debido a la restricción de la sección
transversal, hpL
• Altura de líquido debido a la caída de presión hpV
Generalmente, el espaciamiento entre platos esta entre
40 – 70 cm.

13. Control de presión
La presión de operación en una columna de destilación esta
influenciada por:
• La temperatura de operación
• Las características del fluido (particularmente el flujo de
vapor)
• Condiciones del calor intercambiado en el condensador y
en el rehervidor

14. Control de presión
La variación de la presión puede ser causada por:
• La variación del flujo y temperatura del fluido de
enfriamiento
• El ensuciamiento en el condensador
• Modificaciones en las condiciones del proceso

15. Presión de la columna. Sistemas de control
Por lo general, la presión de la columna se controla en:
• Tope de la columna
• Tambor de reflujo
• Sobre un plato en particular
• Fondo de la columna

16. Sistemas de control de presión
Se pueden clasificar acorde con la variable de control usada:
1. Ajustando el calor de condensación
• Actuando sobre el flujo del fluido de enfriamiento
• Variando el área de transferencia de calor en el sector
de condensación
2. Ajustando las condiciones del tambor de reflujo por salida
de gas
• Bypass caliente, salida de gas

17. Ajustando el calor de condensación
• Actuando sobre el fluido de enfriamiento
El controlador de presión actúa directamente sobre la válvula
automática para líquidos o sobre el ventilador para
condensadores que utilizan aire.

18. • Variando el área de transferencia de calor en el sector
de condensación
Controlando la descarga del condensado se ajusta el área
requerida para la condensación

19. Ajustando las condiciones del reflujo
En ambos casos, el líquido esta subenfriado. El
subenfriamiento es variable, depende de la temperatura del
tambor y puede causar perturbaciones en la operación vía
reflujo
Corriente
gaseosa
Corriente
gaseosa

20. Control en el rehervidor
El sistema de control a utilizar depende de:
• Del tipo de rehervidor.
• La naturaleza del medio de calentamiento.

21. Control en el rehervidor
Vapor
Condensado
Se puede hacer una distinción entre:
Rehervidores que usan vapor o un fluido gaseoso que
condensa. El calor transmitido por el rehervidor es
proporcional al flujo de vapor que se alimenta al mismo

22. Líquido
caliente
• Rehervidores con liquido caliente donde la cantidad de
calor transferido depende de la diferencia de temperatura
promedio entre el fluido hirviente y el fluido hirviendo, es
decir no es proporcional a la velocidad de flujo del líquido
caliente.

23. • Calentadores a fuego directo.
En estos rehervidores la cantidad de calor transferida puede
regularse por el flujo de líquido que es alimentado al horno y
por su temperatura a la salida del horno.

24. Perfiles de flujos
Se basa en la hipótesis de Lewis:
• Calor de vaporización y condensación constantes.
• Cada mol vaporizado es reemplazado por un mol
condensado.
• El flujo molar de las fases liquida y vapor permanecen
constantes en cada zona de la columna.

25. Perfiles de flujos
QC = Calor de condensación
QR = Vaporización
de V’o por
calentamiento de B
B
L’ – V’ = B
Flujo molar
Reflujo
interno
Reflujo
externo Vapor superior
Flujo vaporizado
en el rehervidor

26. La zona de rectificación se caracteriza por:
• Una relación
• Una diferencia V – L constante en la zona de
rectificación e igual al flujo de destilado
Y la zona de agotamiento por:
• Una relación
• Una diferencia L’ – V’ que es constante e igual al flujo
del residuo.

27. Reflujo interno
Los perfiles reales muestran discontinuidades entre el reflujo
externo (Lo) y el reflujo interno (L). Estas son debidas al
subenfriamiento del reflujo externo.
Variaciones en la temperatura en el tambor de reflujo puede
causar cambios en la circulación del liquido interno a un
reflujo externo dado.
En estos casos, es ventajoso implementar un sistema de
control en el reflujo interno

28. Reflujo interno
Usualmente se emplea la
siguiente ecuación para el
calculo del flujo del reflujo
interno X = Flujo de
reflujo interno
Puede notarse que cuando la temperatura del tambor
disminuye, este sistema causa una reducción en el reflujo
externo para mantener el reflujo interno constante. En
contraste, el mismo comportamiento es previsible cuando la
temperatura en el tope aumenta.

29. Perfil de temperatura y concentración
Temperatura
Tope
Fondo
Mezcla
Binaria
Temperatura
Fracción molar de la fase
líquida
El perfil de temperatura decrece en forma monótona desde el
vaporizador hasta el condensador.

30. Perfil de temperatura y concentración
Balance de materia global:
Vp+1 = Lp
Balance de materia en el
componente i:
Vp+1*yip+1 = Lp*xip
o yip+1 = xip (1)
Ecuación de equilibrio
yip+1 = Kip+1*xip+1

31. xip = Kip+1*xip+1
• Si Ki >1 (ligero) xi incrementa a medida que sube hacia el
tope de la columna
• Si Ki < 1 (pesado) xi incrementa cuando el componente i
baja al fondo de la columna

32. El valor de K puede estimarse por la Ley de Raoult
Se observa que Ki = 1, si Ps
i = P, es decir cuando la
temperatura T es igual a la temperatura de ebullición del
componente i (Tbpi) a la presión P.
Para el componente i:
Si T > Tbpi Ki > 1 El componente se considera un
componente liviano
Si T < Tbpi Ki < 1 El componente se considera un
componente pesado

33. Ttope Tfondo
Temperatura
en la columna
Temperatura
Componentes ligeros Componentes intermedios Componentes pesados
Se concluye:
Componentes ligeros: Ki > 1 y xip > xip+1
Componentes pesados: xip < xip+1
Componentes intermedios:
• Si T > Tbpi, entonces Ki > 1 y xip > xip+1
• Si T < Tbpi, entonces Ki < 1 y xip < xip+1

34. Perfil de concentración
a Reflujo total
Fracción molar
xi o yi
1. Se observa que la fracción mol de d es muy baja en el
vaporizador y aumenta en forma monótona hasta llegar a
un valor alto en el condensador total
2. Pares binarios de componentes están destilando en cada
parte de la columna

35. Perfil de concentración real.
El perfil de concentración determinado a reflujo total es
prácticamente el mismo que a condiciones reales. La
diferencia involucra el valor absoluto de la concentración y la
posición del valor máximo de concentración que no esta
localizada exactamente en el plato donde el valor de Ki → 1.

36. BENCENO
AROMATICOS
ALIMENTACIÓN
Tope
Fondo
Alimentación
Temperatura (ºC)
Presión (atm)
Flujo (kmol/h)
Calor
Separación del benceno
Perfil ce concentración en la fase líquida

37. En la separación del benceno
• Se observa una máxima concentración de Tolueno (clave
pesado) en la zona de agotamiento.
•
• No se muestra un máximo para el benceno (clave liviano)
• Se nota la presencia de impurezas de componentes
menos ligeros que el benceno

38. Debutanizador
Perfil de concentración en fase líquida

39. En el debutanizador,
• El n-butano (clave ligero) muestra una concentración
máxima en la zona de rectificación y el isopentano (clave
pesado) también muestra un máximo en la base de la
zona de rectificación.
• Esta columna opera con un amplio intervalo de
temperatura.
• El isopentano muestra un segundo máximo de
concentración en la zona de agotamiento (por su
revaporización en el rehevidor)

40. Perfil real de temperatura
Componente
a puro
Temperatura (ºC)
Temperatura
de burbuja de
la mezcla bc
Temperatura de
ebullición del
compuesto a puro
La separación de una
mezcla con varios
componentes en una
sustancia pura en el
tope y una mezcla en el
fondo

41. Perfiles de Temperatura
DEBUTANIZADOR
SEPARACIÓN
DE BENCENO
B
B