1. Conceptos Claves de
UNEFM Fraccionamiento
Ing. Zoraida Carrasquero MSc.

2. Conceptos claves de fraccionamiento
Condensador
V1
Zona de
Lo D,
D xD Rectificación
Destilado
Etapa 1 L
V
F,
F xF
F, xF
TF hF TF, PF, hF
Zona de
Alimentación Alimentación
V
V’
’
L’
Etapa n
VN+1
Zona de
LN B,
B xB Agotamiento
Residuo
Rehervidor
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

3. • Etapa ideal
Una etapa ideal no tiene existencia física o real. En la misma toman
p
contacto dos o mas corrientes (liquido-gas ó por ejemplo liquido-liquido) 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).
Interfase
Plato real
Liquido
Altura
equivalente
de
relleno
Figura 1. Esquema de una etapa de equilibrio.
g q p q
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4. Liquido de la etapa
q p
superior a ésta
Vj Lj-1 En cada etapa
de equilibrio se
Wj xLj-1 pueden aplicar
Vapor de corriente yVj hLj-1
lateral HVj Tj-1 un conjunto de
Tj Pj-1 ecuaciones que
Pj
relacionan l
l i las
Transferencia
Fj variables que
de Calor
Alimentación
determinan el
Etapa j
p Qj
xFj (+) Si es de la etapa
comportamiento
hFj xLj (-) Si es hacia la etapa del equipo.
TFj yVj+1
PFj HVj+1
hLj Estas
Tj
Tj+1 Pj ecuaciones se
Pj+1 Pj
Liquido de corriente
conocen como
lateral ecuaciones
Vj+1
Lj MESH
Vapor de la etapa
inferior a ésta
Figura 2. Modelo de una etapa de equilibrio en un equipo separador liquido – vapor
Fuente: Seader,J. D.; Henley, E. J., 2000
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5. • 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.
Columna de
enriquecimiento:
alimentación por el
fondo de la columna,
generalmente es vapor
saturado
t d
Columna de
fraccionamiento:
Columna de agotamiento: alimentación entre
li t ió t
alimentación por el tope de la tope y fondo de la
columna, generalmente es columna
liquido saturado
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6. • Reflujo
Es la cantidad de liquido (Lo)) que regresa a la columna para enriquecer el
vapor superior y garantizar la temperatura más baja en el tope de la misma.
QC
V1
Relación de Reflujo superior
Externa
Lo D
xD
Interna
F, xF
TF, hF
Relación entre Rext y Rint
VN+1
LN
Relación de Reflujo inferior
B
xB
QR
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7. Reflujo
Es parte del vapor que condensa que regresa a la torre con la finalidad de
enriquecer los vapores del tope del producto mas volátil, además de
enfriar la parte superior de la torre.
•Si no hay reflujo no hay fraccionamiento
•Si la cantidad de reflujo es baja se evaporaría antes de llegar a los platos
j j p g p
inferiores (Se secan los platos situados en la parte inferior de la torre)
•Si hay exceso de reflujo, la temperatura de la parte superior de la torre
seria muy baja, y no se podrían evaporar todas las partes livianas
deseables
•Un reflujo total indica que no hay producto de tope, destilado

8. • Ali
Alimentaciones secundarias y salidas laterales
t i d i lid l t l
Alimentaciones Secundarias
QC
V1, HV1
Corrientes de la mezcla original
D, xD de distinta concentración para
Lo, hLo hD
obtener los mismos componentes
entre tope y fondo
P2 , xP2
F, xF
T F , hF
P3 xP3
Salidas Laterales
VN+1,
yN+1
LN, xN B, xB
QR
hB Corrientes de producto de
p
composición intermedia entre el
producto de tope y fondo
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9. • Accesorios de la torre: platos y empaques
Platos.
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10. Platos.
Paso del flujo de vapor en diferentes platos: a) platos de copas
de burbujeo; b) plato perforado; c) plato de válvula.
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11. Empaques
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12. Empaques
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13. Empaques
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14. • C
Comparación entre columnas d platos y columnas
ió t l de l t l
empacadas
Columnas de Platos Columnas Empacadas
1. Cargas variables de liquido y/o vapor 1. Columnas de pequeños diámetros ( <
0,6 m)
2.
2 Presiones superiores a la atmosférica 2.
2 Destilaciones criticas al vacío donde
vacío,
son imprescindibles bajas caídas de
presión
3. Bajas velocidades de liquido 3. Medios Corrosivos
4. Gran número de etapas y/o diámetro 4. Líquidos que forman espumas, en
estas columnas la agitación es
menor.
5. Elevados tiempos de residencia del 5. Bajas retenciones de líquidos, si el
liquido material es térmicamente inestable
6. Posible ensuciamiento
7. Esfuerzos térmicos o mecánicos, que
pueden provocar roturas del relleno.
8. Necesidad de utilizar serpentines de
refrigeración en la columna
columna.
Fuente: Henley, E. J., ; Seader, J. D., 1998
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15. • Condensador. Tipos.
Condensador total
Fluido de
enfriamiento
En un condensador total toda la corriente de
vapor que abandona el tope de la columna se
condensa y, posteriormente, en condensado se
divide en producto destilado (liquido) y reflujo que
Tope de
la columna regresa a la columna (Lo). Todas esta corrientes
tienen la misma composición.
Fluido de
enfriamiento
Condensador parcial
p
Si se utiliza un condensador parcial, el vapor de
tope, V1 se condensa parcialmente.
Entonces el vapor (D) y el liquido (Lo) que salen del Tope de
la columna
condensador están en equilibrio, y el condensador
opera como otra etapa de la columna.
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16. • R h
Rehervidor
id
Rehervidor parcial
En un rehervidor parcial la corriente de liquido
procedente d l últi
d t del último plato d l columna, se vaporiza
l t de la l i
parcialmente, el liquido que resulta se extrae como
producto de fondo, B, y el vapor se alimenta a la última Fondo de
la columna
etapa de la columna; ambas corrientes de producto del
rehervidor están en equilibrio; y el rehervidor opera
como otra etapa de la columna.
Rehevidor total
El rehervidor total es aquel en que la corriente de liquido
Fondo de
procedente de la última etapa de la columna se divide
la columna en dos corrientes, una corriente de producto de fondo,
B,
B y la corriente de alimentación del rehervidor donde
rehervidor,
se vaporiza totalmente y regresa a la última etapa de la
columna. Todas esta corrientes tienen la misma
composición.
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17. Tipos de Rehervidor
Rehervidor de Marmita
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18. Selección de Rehervidor
De circulación De marmita (6)
De Termosifón forzada (5)
De paso continuo (1) De
D recirculación
i l ió
Horizontal Vertical Horizontal (2) Vertical (3)
Con desviador (4) Sin desviador Con Sin desviador
desviador (4)
Figura 1. Guía rápida de selección de rehervidores. Fuente: Branan, C. 2000
1 Preferible al de recirculación donde se pueden mantener gastos aceptables de la vaporización (menos de 25 – 30%)
Se elige este tipo cuando hay necesidad de minimizar la exposición de sustancias degradables o que producen
incrustación, o con ambas características, a temperaturas elevadas
2 S usa para servicios grandes, proceso sucio o cuando se requiere una li i
Se i i d i d i limpieza f
frecuente. El proceso suele estar en el
t l t l
lado del casco. Este tipo se usa en el 95% de las aplicaciones de termosifón en las refinerías de petróleo.
3 Se usa para servicios pequeños, proceso limpio y solo se requiere limpieza no frecuente. La vaporización suele ser
menor del 30%, pero menor del 15% si la presión de la fraccionadora se encuentra por debajo de 50 psig (lb/plg2
manométricas). La viscosidad de la alimentación del rehervidor debe ser menor de 0,5 cp. Colóquese una válvula
) p q
mariposa en la tubería de admisión del hervidor. Este tipo se usa en casi el 100% de las aplicaciones de termosifón en
las plantas químicas (70% de las petroquímicas).
4 Mayor estabilidad que cuando no tiene desviador
5 Suele usarse en donde la caída de presión es elevada y, por tanto, la circulación natural no resulta práctica.
6 Muy estable y fácil de controlar No tiene flujo bifásico Permite una altura baja del faldón de la torre. Sin embargo este
controlar. bifásico. torre embargo,
tipo es costoso
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19. Balances de materia y energía en una columna de platos
QC
Balance de materia global:
F=D+B
hD
Balance de materia en el componente más volátil:
hF
F*xF = D*xD + B*xB
Balance de energía:
F*hF + QR = D*hD +B*hB + QC
QR
hB
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20. Balance de materia y energía en el condensador: necesidades d
B l d t i í l d d id d de
agua de enfriamiento, magua.
HV1 QC
Balance de materia global
HD
V1 = Lo + D
hLo
Balance de energía
V1*HV1 = Lo*hLo + D*HD + QC
HV1
En un condensador total: hLo = hD, entonces QC
Qc = V1*(HV1 – hLo) = V1 * λmezcla, tope
hLo hD
magua = QC/(TS,agua – TE,agua)
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21. Balance de materia y energía en el rehervidor: necesidades del vapor
de calefacción, mvapor
Balance de materia global:
LN = VN+1 + B
hLN
HVN+1
Balance de energía:
QR
hB
LN*hLN+ QR = VN+1*HVN+1 + B*hB
En el rehervidor total: hLN = hB,
HVN+1
hLN
QR = VN+1*λmezcla fondo
mezcla,
QR
hB
mvapor = QR/λvapor
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

22. Columna de destilación
C l d d til ió
La columna es 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 liquido fluye hacia el
fondo de la columna y es menos
rico en el componente mas
volátil. Es decir, los
componentes con Ki*V/L > 1
t
tenderán a salir en el destilado y
los componentes con Ki*V/L < 1
tenderán a salir en la corriente
de fondo.
Esquema de columna de destilación de cinco
platos, T1 < T2 < T3 < T4 < T5 , a Presión
constante.
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

23. Factores que afectan la operación de la columna
F t f t l ió d l l
• Condición de la alimentación
Etapa de alimentación
Composición de la alimentación
Trazas de elementos que puedan afectar el ELV de la mezcla
• C di i
Condiciones adversas d l fl j i t
d de los flujos internos, li id y vapor
liquido
Inundación (Flooding): El nivel de liquido en el vertedero se hace igual
al nivel de liquido en el plato superior, debido a un incremento de la presión en el
plato inferior, lo que impide el descenso del liquido.
Goteo (Weeping): consiste en la caída de liquido a través de las
perforaciones del plato inferior y se debe a que la velocidad del vapor es menor a la
necesaria para impedir el paso del liquido.
Arrastre (Entrainment): ell vapor en sus ascenso se ll lleva parte d l
t del
liquido hacia el piso superior. Si el arrastre es moderado se denomina Blowing; si
el caudal de vapor es elevado se forma un cono de vapor que arrastra el liquido sin
lograr el contacto entre las dos fases y se denomina Coning.
• Tipo de contacto
Contacto discontinuo
Contacto continuo
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

24. Ejercicio –Identifique los esquemas que representan una etapa
ideal
Fig. 3 Concepto de etapa de destilación. (a) Presentación general de una etapa de
destilación (b) y (c) Producto de fase simple (no son etapas ideales de destilación); (d) y
(e) Productos en dos fases (etapas ideales de destilación).
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

25. Especificaciones
En el diseño u operación de una columna de destilación se debe
especificar una gran cantidad de variables tanto de diseño como de
variables,
simulación. Normalmente se especifican la presión de la columna,
que determina los datos de equilibrio, la composición de la
alimentación,
alimentación flujo y temperatura o la entalpia de la alimentación o
alimentación,
bien la calidad de la alimentación; además la temperatura o entalpia
del liquido de reflujo.. (Wankat, P. C., 2008).
Variables especificadas normalmente para destilación binaria
1. Presión de la columna
2. Flujo másico ó molar alimentado
3. Composición de la alimentación
4. Temperatura, entalpia ó calidad de la alimentación
5. Temperatura ó entalpía del reflujo (en general liquido saturado)
Wankat, P. C., 2008
Especificaciones Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

26. Especificaciones y variables calculadas para destilación binaria en
problemas de diseño.
Variables especificadas El diseñador calcula
1. Fracción molar del componente más Flujo másico ó molar en el destilado, D y B
volátil en el destilado, xD Cargas de calentamiento y enfriamiento, QR
A 2. Fracción molar del componente más y QC
volátil en la corriente de fondo xB
fondo, Número de etapas, N
etapas
3. Relación de reflujo externo, Lo/D Plato óptimo de alimentación
Diámetro de columna
4. Usar el plato óptimo de alimentación
1. Recuperaciones fraccionarias de xD, xB, D, B
2. componentes en el destilado y fondo, QR, QC
B (FRA)dest, (FRB)fondo N
3. Relación de reflujo externo, Lo/D Nalim
Diámetro de la columna
4.
4 Usar plato óptimo de alimentación
1. DóB BóD
2. XD ó xB XB ó xD
C 3. Relación de reflujo externo, Lo/D QR, QC
4.
4 Usar el plato ó ti
U l l t óptimo d alimentación
de li t ió N y Nmin
Diámetro de la columna
1. xD y xB D y B, QR y QC
D 2. Relación de vapor del fondo, V/B N, Nalim
3.
3 Usar el plato ó ti
U l l t óptimo d alimentación
de li t ió Diámetro de la columna
Wankat, P. C., 2008
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

27. Métodos de di ñ
Mét d d diseño
Calculo plato a plato: se aplica un balance de materia y energía entre
Sorel – L i
S l Lewis dos l t
d platos adyacentes cuando l columna opera a reflujo parcial. S
d t d la l fl j i l Se
supone que la columna opera adiabáticamente y que no existe calor
de mezcla; que las líneas de líquido y vapor saturado en un diagrama
de entalpia concentración son paralelas.
La ecuación de Smoker’s es conveniente utilizarla en separaciones
Analíticos Smoker – Rose binarias con un gran número de etapas. Esta asume volatilidad relativa
constante y flujo molar constante; es esencialmente una solución
analítica del diagrama x-y.
Fenske Considera volatilidad constante y supone que las etapas son de
equilibrio
Involucra balances de materia y energía y las relaciones de equilibrio
Ponchon – Savarit de fases. Es un método riguroso, pero requiere información detallada
sobre las entalpías.
Es la forma mas simple de representar una solución grafica de una
McCabe – Thiele clásica separación de N+1 etapas de equilibrio con flujos de liquido y
Gráficos vapor en contracorriente
Entalpia – Se considera la destilación mediantes datos de entalpia- concentración
Concentración y con velocidades de derrame molal no necesariamente constantes. Se
aplican balances de materia y de entalpia.
Métodos de Diseño Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

28. Métodos de di ñ
Mét d d diseño
Ecuación de Fenske
Para el calculo del Numero Mínimo de etapas
Para el calculo del Reflujo mínimo
q= 1 (li id d alimentación en
(liquido de li t ió
su punto de burbuja)
q = 0 (Vapor de alimentación en
el punto de rocío)
Métodos de Diseño Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

29. Referencias Bibliográficas.
• HENLEY E J ; SEADER J D (1998) Operaciones de Separación por etapas de
HENLEY, E.J.; SEADER, J. D. (1998).
equilibrio en ingeniería química. Editorial Reverté. Segunda Edición..
• FOUST, A.; WENZEL,L.; CLUMP, C.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. (1980) Principles
of Unit Operations Segunda Edición John Wiley & Sons editores
Operations. Edición. editores.
• McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. (2007) Operaciones unitarias en ingeniería
química. Editorial McGraw Hill. Séptima Edición.
• GEANKOPLIS, C. J. (1998) Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera
edición. Editorial Cecsa
• TREYBAL R. (1980). Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición.
Editorial McGraw Hill.
• WANKAT, P. (2008) Ingeniería de procesos de separación. Segunda Edición. Editorial
Prentice Hall..
• MARCILLA GOMIS, A. (1998). Introducción a las operaciones de separación. Calculo
por etapas de equilibrio. Publicaciones de la Universidad de Alicante. Edición electrónica
Espagrafic..

30. Referencias Bibliográficas
Bibliográficas.
• KISTER, H. (1992). Distillation Design. Editorial McGraw Hill. .
•KING, J (1988) P
KING J. (1988). Procesos d separación. Edit i l R
de ió Editorial Reverté. Edi ió en español.
té Edición ñ l
• PERRY R., H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. (1998). Manual del Ingeniero
Quimico. Sexta Edición. Editorial McGraw Hill