1. Educación

u ANALES
TI
de la Universidad Metropolitana
Incidencia de las variables operativas
de una destilación por carga sobre la calidad
y rendimiento de los productos
Ana Damián, Elibeth Espinoza y Gustavo Torres
Escuela de Ingeniería Química
Facultad de Ingeniería
Universidad Metropolitana
En el diseño de procesos para la separación física de componentes por
mecanismos en los que intervienen transferencia de calor y masa, la primera
etapa consiste generalmente en las especificaciones de las condiciones del proceso
o variables independientes. Es por ello que se llevó a cabo una experiencia a
nivel laboratorio y piloto en donde se estudiaron las variables operativas sobre
mezclas de composición conocida a fin de establecer la incidencia de éstas en la
calidad y rendimiento del producto.
Se demostró que la eficiencia de la separación es directamente proporcional al
rendimiento del destilado, es decir, la operación a tiempos altos favorecía un alto
grado de separación. Se pudo verificar que la operación de una destilación por carga
es favorable para los casos industriales en que la composición de la carga varía
constantemente y cuando la cantidad de la misma no amerita una operación contínua.
La operación se llevaría a cabo a reflujo constante cuando el objetivo de la separación
sea la de recuperación de las fracciones sin tener mayor importancia la calidad de
éstas; y la operación se recomienda a reflujo variable para recuperación de cortes de
alta calidad.
1. Introducción
Actualmente en muchas empresas del sector químico surge la necesidad de
recuperar solventes que son utilizados de una forma u otra dentro de su proceso
productivo para ser utilizados nuevamente y así optimizar las variables técnicoeconómicas de su producción.
La destilación es un método muy recomendando para la separación de componentes
con diferencias en sus presiones de vapor, bajo la modalidad de presión atmosférica o
bajo vac ío.
Se entiende por destilación la operación unitaria que permite la separación de dos
componentes o más por medio de un equilibrio de fases líquido-vapor.
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ANALES
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Métodos de destilación:
1) Se basa en la producción de vapor mediante la ebullición de la mezcla líquida que
se desea separar y condensación de los vapores sin permitir que el líquido retorne
al calderín. Es decir, no hay reflujo externo.
2) Se basa en el retorno de una parte del condensado al tope de la columna en unas
condiciones tales que el líquido que retorna (reflujo externo) se pone en íntimo
contacto con los vapores que ascienden hacia el condensador.
Ambos métodos pueden realizarse en forma continua o por lotes en estado estacionario.
Los procesos de destilación continua son: a) destilación flash: vaporización parcial en
una sola etapa sin reflujo, y b) destilación con rectificación. Los procesos de destilación
discontinua son: a) destilación simple y b) destilacción fraccionada
Principios de la destilación por carga: La destilación por carga juega un papel importante
en la industria de los procesos químicos. Esta es típicamente utilizada en los siguientes
casos:
a)
b)
c)
d)
Cuando la composición del material a separar cambia en un amplio rango.
Cuando se requieren pruebas de destilación no frecuentes.
Cuando el material a separar es producido en relativamente pocas cantidades.
Cuando el material a separar contiene relativamente pequeñas cantidades del
componente más pesado o más ligero.
Escoger una metodología de operación de una destilación por carga implica tener
definido previamente qué se quiere obtener como producto: calidad o rendimiento y en
cuánto tiempo.
El diseño de un nuevo sistema para una separación específica envuelve la
determinación de la relación de reflujo externo mínimo; la selección del protocolo de
operación, es decir, a reflujo constante (calidad de destilado variable) o a reflujo variable (calidad de destilado constante), y el tiempo a permitirse para la destilación de
una cierta cantidad de carga (dimensionamiento).
Destilación simple: El vapor que abandona el calderín pasa directamente al condensador
total y el líquido condensado se recoge directamente en un recipiente. Es decir, no hay
reflujo. El primer vapor que abandona el calderín es mucho más rico en el componente
liviano que la carga original ya que el calderín actúa como una etapa de separación
teórica.A medida que el proceso avanza la composición del vapor que abandona el
calderín se hace cada vez menor en el componente ligero, es decir, el producto destilado
se diluye con componente pesado.
Matemática de la destilación simple = ecuación de Lord Rayleigh:
Ln (W/F) = f dx / (y-x)
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(ec.1)
rT1 ANALES
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en donde:
W = moles finales en el calderín
F = moles iniciales de carga
y = composición del componente liviano en el vapor en equilibrio
x = composición del componente liviano en el líquido.
Destilación fraccionada: El vapor ascendente que abandona el calderín pasa por una
columna de rectificación (relleno, platos, etc.) en donde se pone en contacto íntimo a
contracorriente con el líquido descendente a fin de mejorar el efecto de transferencia
de masa, en el cual el vapor cede al líquido el componente pesado y el líquido cede al
vapor el componente liviano, generándose así un enriquecimiento de la fase vapor en
el componente liviano y un enriquecimiento de la fase líquida en el componente pesado.
El vapor ascendente al salir de la columna rectificadora pasa por el condensador total
y de éste, el líquido condensado pasa al elemento de distribución de reflujo el cual
reparte el líquido en dos corrientes: Lo (líquido que se devuelve a la columna) y D
(producto destilado). La relación matemática de Lo/D es lo que se conoce como reflujo
externo.
Destilación fraccionada a reflujo constante: La destilación por carga bajo la condición
de reflujo constante es similar a la destilación simple en el sentido de que las
composiciones de los productos (destilado (D) y residuo (W)) varían en función al tiempo.
De nuevo, el destilado inicial contiene un alto porcentaje del componente liviano, pero
esta composición se reduce a medida que el proceso avanza. Sin embargo, debido a
la presencia del reflujo la rata de cambio de la composición del destilado es menor que
en destilación simple.
Matemática de la destilación a reflujo constante:
Ln (W/F) = dxw / (xd - xw)
en donde :
xd = composición molar del componente liviano en el destilado
xw = composición molar del componente liviano en el residuo
(ec.2)
Destilación fraccionada a reflujo variable: Variando continuamente la relación de reflujo
externa durante el curso de la operación se asegura una composición constante del
producto de cabecera. La rata de calentamiento debe ser constante en este caso.
La relación de reflujo interna (UV) también se verá incrementada.
Matemática de la destilación a reflujo variable :
Ln (W/F) = S dxw / (xd - xw)
(ec.3)
2. Desarrollo experimental
1) Fase laboratorio: A escala laboratorio se realizaron pruebas para el sistema binario
benceno-tolueno y el sistema ternario benceno-tolueno- xileno en equipos de
destilación simple y fraccionada con columna Vigreaux. El objetivo de este estudio fue
el de determinar la eficiencia de la separación en cuanto a la calidad de los productos
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separados, es decir, la composición promedio del destilado para una fuente de
calentamiento constante y un rendimiento de destilado igual para ambos casos.
La metodología consistió en cargar un volumen de 300 ml de las respectivas
muestras (aproximadamente equimolar ), fijar una fuente de calentamiento baja a fin
de permitir llevar a cabo la operación en condiciones lo más cercanas al equilibrio y
establecer un caudal del agua refrigerante adecuado y similar en ambos casos. La
hipótesis del ensayo fue detener la operación una vez recogidos como destilado el
80% del benceno en la carga.
A medida que transcurría la operación se registraba la temperatura del cabezal en
función al tiempo y eventualmente se tomaban muestras de destilado para su posterio análisis cromatográfico.
Una vez detenida la operación se esperaba una hora a que el sistema se enfriar
para abrirlo y medir la cantidad de residuo remanente y su análisis a fin de realizar
posteriori un balance de masa y determinar el grado y la calidad de separación. Le
datos experimentales obtenidos de cada corrida son :
a)
b)
c)
d)
e)
Tiempo de operación, h
Volumen de carga, destilado y residuo, ml
Fracción en peso de la carga, del destilado y residuo, xi
Temperatura del cabezal, Q C
Poder de calentamiento, W
Los resultados experimentales generados de cada corrida son:
a) Tiempo de inicio del destilado y tiempo de duración de la destilación para obter
como destilado el 80% del benceno en la carga.
b) Perfil de temperatura del cabezal en función al tiempo.
c) Perfil de la composición del destilado en función al tiempo.
d) Balance de masa
e) Porcentaje de benceno recuperado en el destilado.
f) Porcentaje de destilado recuperado.
g) Estimación del reflujo en destilación fraccionada.
2) Fase piloto: Pruebas a presión atmosférica del sistema binario (benceno - toluE
para diferentes condiciones de operación a fin de verificar la extrapolación de
resultados en el laboratorio. Para estas pruebas se ha utilizado un equipo de destila
piloto de vidrio marca Fischer acoplado a un sistema de control que permite fij
controlar condiciones de operación de la columna. Las partes que componen el eqi
son: a) fuente de calentamiento variable, con temperatura máxima de 250 2C, b)
de destilación de 10 litros de capacidad, c) columna de fraccionamiento constituida
diez platos tipo capucha de burbujeo, cada uno con su sensor de temperatura.
tres niveles de toma de muestra a lo largo de la columna, d) condensador principa
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Ljrn
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dispositivo de reflujo electromagnético, f) dos recervorios de destilado de dos litros de
capacidad en total, g) sistema de vacío .
E
Figura 1. Columna de destilación por carga a escala piloto.
Las variables que se pueden fijar en esta columna son: fuente de calentamiento,
tiempo de equilibrio, tiempo de operación, relación de reflujo y temperatura del
condesador. El procedimiento experimental consistió en cargar un volumen de
aproximadamente 4000 ml de la mezcla equinnolar benceno + tolueno, fijar las
condiciones de tiempo de equilibrio, fuente de calentamiento y reflujo externo, y proceder
al arranque de la unidad. A medida que transcurre la operación se registran variables
como : temperaturas de tope, fondo y platos; temperatura de la manta y tiempo de
inicio del destilado. El criterio de parada fue establecido en forma particular para cada
corrida dependiendo del objetivo de ésta. Las pruebas realizadas se pueden resumir
en el siguiente esquema:
1. Prueba N2 1: Cambio de la fuente de calentamiento.
Condiciones fijas: reflujo externo = 4; tiempo de operación = 4 horas; concentración de
la carga = equimolar; tiempo de equilibrio = 10 minutos.
Condiciones variables: Fuente de calentamiento: 1500; 1300 ; 1000; 1000 y 800 Watios.
2. Prueba N2 2: Cambio del reflujo externo.
Condiciones fijas : fuente de calentamiento: 1200 - 1000 Watios; tiempo de operación
= 4 horas; concentración de la carga = equimolar; tiempo de equilibrio = 10 minutos.
Condiciones variables: reflujo externo = 2, 3, 4 y 5
3. Prueba N2 3: Cambio del tiempo de equilibrio
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u
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Condiciones fijas: fuente de calentamiento: 1200 - 1000 Watios; reflujo externo = 4;
tiempo de operación = 4 horas; concentración de la carga = equimolar.
Condiciones variables: tiempo de equilibrio: 1800, 900, 600 y 300 segundos.
4. Prueba N2 4: Cambio del tiempo de operación
Condiciones fijas: fuente de calentamiento: 1200 - 1000 Watios; reflujo externo = 4;
concentración de la carga = equimolar; tiempo de equilibrio = 10 minutos.
Condiciones variables: tiempo de operación: 2, 4, 6 y 8 horas.
5. Prueba N 2 5: Cambio de la composición de la alimentación
Condiciones fijas: fuente de calentamiento: 1200 - 1000 Watios; reflujo externo = 4;
tiempo de operación = 4 horas ; tiempo de equilibrio = 10 minutos.
Condiciones variables: Composición molar de la carga : Xf = 0.2; 0.4; 0.5; y 0.6
3. Resultados
Fase laboratorio:
PRUEBA TIPO: Destilación simple y fraccionada.
Condición
D(m1)
Xd
W (m1)
Xw
%Benc.
rec.
Simple
121
0.7774
171
0.3234
Fraccionada
121
0.8440
162
0.2685
%Dest.
rec.
Thead
(°C)
92
62
84
96
58
76
Fase piloto:
PRUEBA TIPO: Destilación piloto. Cambio del tiempo de equilibrio.
Condición
(teq, s)
D(mI)
Xd
W (m1)
Xw
%Benc.
rec.
%Dest.
rec.
Thead
(°C)
750
0.9855
2730
0.3560
41.83
22.96
76.9
600
700
0.9860
2780
0.3780
39.47
21.00
76.9
900
660
0.9885
2840
0.4257
37.76
20.64
76.9
300
PRUEBA TIPO: Destilación piloto. Cambio del poder de calentamiento.
Condición
(O W)
12
D(m1)
Xd
W (m1)
Xw
%Benc.
rec.
%Dest.
rec.
Thead
(°C)
78.50
45.66
77.7
1800-1500
1580
0.970
2066
0.176
1500-1300
1300
0.972
2410
0.259
63.00
36.38
77.4
1200-1000
658
0.984
2690
0.356
37.76
20.64
76.9
1000-800
387
0.986
3090
0.436
20.85
11.65
76.7
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ANALES
de la Universidad Metropolitana
PRUEBA TIPO: Destilación piloto. Cambio de la composición de la alimentación
Condición
(xf)
D(m1)
Xd
W (m1)
0.231
528
0.978
3190
0.077
0.354
720
0.987
2770
0.195
0.405
858
0.988
2550
0.256
56.0
23.40
76.7
0.630
890
0.989
2260
0.454
45.0
29.13
76.7
%Benc.
rec.
%Dest.
rec.
Thead
(°C)
Xw
%Benc.
rec.
%Dest.
reo.
Thead
(°C)
73.3
17.35
78.0
59.4
21.30
76.9
PRUEBA TIPO: Destilación piloto. Cambio del reflujo externo.
Condición
(Reflujo Externo)
D(m1)
Xd
W (m1)
Xw
1
1330
0.9700
2140
0.2019
76.84
40.30
77.8
2
980
0.9790
2330
0.2626
59.67
30.72
77.0
3
810
0.9808
2560
0.2981
49.40
25.87
77.0
5
655
0.9916
2820
0.4110
39.50
20.55
76.7
PRUEBA TIPO: Destilación piloto. Cambio del tiempo de operación.
Condición
D(m1)
Xd
W (m1)
Xw
2
255
0.9894
3230
4
658
0.9885
2690
6
1120
0.9839
8
1440
0.9828
(tiempo de operación)
%Benc.
rec.
%Dest.
rec.
0.4170
15.66
08.00
76.0
0.3782
41.54
21.38
76.3
2350
0.2357
68.26
35.11
76.8
2030
0.1154
88.35
45.16
76.9
Thead
(°C)
Conclusiones
1. La destilación es un método factible de separación de componentes con puntos de
ebullición diferentes.
2. La destilación por carga es un método de separación de componentes sólo por un
proceso de rectificación, es decir, el residuo no es un producto del agotamiento de
la fase líquida; sin embargo el destilado sí se puede considerar un producto del
enriquecimiento de la fase vapor.
3. La destilación por carga permite tanto la recuperación de fracciones como la
separación de la alimentación en sus componentes dependiendo del objetivo del
proyecto.
4. La incidencia de las variables en la calidad de los productos es un factor
independiente del cambio en la escala.
13
7u1
I
de la Universidad Metropolitana
5. La destilación por carga debe llevarse a cabo muy lentamente a fin de permitir que
se logre y mantenga el equilibrio durante el arranque y el período de operación. El
tiempo de operación de la destilación simple fue de 55 minutos y la destilación
fraccionada de 150 minutos para el mismo criterio de parada del sistema.
6. El tiempo de inicio de la destilación en el método simple fue de 8 minutos, mientras
que en la fraccionada fue de 60 minutos para las mismas condiciones de la carga y
de la fuente de calentamiento, lo que demuestra el hecho de que existe un tiempo
de estabilización a reflujo total en la columna fraccionadora mientras se vence la
pérdida de carga del vapor en ascender y llegar al cabezal de destilación a fin de
ser condensado y evacuado como destilado.
7. La destilación fraccionada genera, para un mismo volumen de producto destilado,
una calidad mayor y un menor porcentaje de benceno recuperado que la destilación
simple para sistemas binarios.
8. El perfil de temperatura del cabezal de una destilación fraccionada es mucho más
uniforme que el respectivo de una destilación simple.
9. Es característico de la destilación por carga a reflujo constante el obtener una calidad
del producto destilado variable en el tiempo.
10. La introducción de un componente más pesado en una carga binaria (benceno tolueno - xileno) conduce a menor temperatura del cabezal tanto en simple como
fraccionada lo cual incide en una mejor calidad de la fracción destilada a expensas
de un menor rendimiento.
11. El equipo de destilación por carga piloto que dispone la Universidad (Figura 1) está
limitado en la temperatura máxima que puede lograr la manta de calentamiento
(250 2C ), lo cual sin el sistema de vacío limita la operación a aquellas cargas que
tengan temperatura de ebullición promedio muy por debajo de 250 2C.
12. El estudio de las variables operativas de una destilación por carga para sistemas
binarios bajo la modalidad de reflujo constante, arrojó en resumen, las siguientes
conclusiones:
La fuente de calentamiento debe ser baja para permitir una destilación lenta y
consecuentemente en equilibrio y estable. La escogida fue: arranque: 1200
W; operación: 1000 W. Estas condiciones generan calidades y rendimientos
en el destilado comprometedores para tiempos de operación factibles (de 4 a 8
horas).
Se demostró que la calidad del destilado es independiente del tiempo de equilibrio
a reflujo total para este tipo y capacidad de columna por lo que se decidió realizar
las experiencias con 5 minutos de estabilización antes de iniciar la apertura del
reflujo.
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de la Universidad Metropolitana
- La calidad del destilado aumenta a medida que la relación de reflujo sea mayor,
lo cual era de esperarse. Se escogió que R =4 es un buen reflujo para comprobar
otros cambios en las variables.
El tiempo de operación es el criterio para detener la prueba. Este debe fijarse
dependiendo de si el objetivo es recuperar la(s) fracción (es) o recuperar
componentes y a qué calidad. Para el objetivo particular de estas experiencias,
es decir, recuperar el 80% del benceno introducido en la carga y partiendo de
un volumen total de carga de 3 litros, se llegó a requerir de un tiempo de
operación de 8 a 10 horas.
La composición y volumen de la carga inicial son parámetros fundamentales
que gobiernan la imposición de las variables operativas dependiendo de qué se
quiere como producto, es decir, calidad o rendimiento. Se determinó que para
mezclas binarias una composición equimolar de partida favorecía una
buena calidad de destilado.
13. Todos los perfiles de temperatura registrados en la sección de rectificación tienen
la misma tendencia y esta es la de coincidir las curvas de temperatura en los platos
de tope en función al tiempo de operación. Esto quiere decir que se presenta un
perfil más uniforme y constante de temperatura en los platos cercanos al cabezal
debido a la presencia del reflujo.
Bibliografía
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Kister, H. (1990). Distillation Operation. McGraw-Hill, New York.
Robinson, C. (1950). Elements of Fractional Distillation. McGraw-Hill, New York.
Billet, R. (1979). Distillation Engineering. Chennical Publishing, New York.
Krell, E. (1982). Handbook of Laboratoiy Distillation with an lntroduction into the Pilot
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