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destilación continua

Imagen 1: Torres de destilación industriales típicas Imagen 2: Columna de destilación al vacío de petróleo crudo, como las que se utilizan en las refinerías de petróleo. La dest...

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Imagen 1: Torres de destilación industriales típicas
Imagen 2: Columna de destilación al vacío de petróleo crudo, como las que se utilizan en las refinerías de petróleo.

La destilación continua , una forma de destilación , es una separación continua en la que una mezcla se alimenta al proceso de forma continua (sin interrupción) y las fracciones separadas se extraen continuamente como corrientes de salida. La destilación es la separación total o parcial de una mezcla líquida de alimentación en componentes o fracciones mediante ebullición selectiva (o evaporación ) y condensación . El proceso produce al menos dos fracciones de salida. Estas fracciones incluyen al menos una fracción de destilado volátil , que ha hervido y se ha capturado por separado como vapor condensado a líquido, y prácticamente siempre una fracción de fondo (o residuo ), que es el residuo menos volátil que no se ha capturado por separado como vapor condensado.

Una alternativa a la destilación continua es la destilación por lotes , donde la mezcla se agrega a la unidad al inicio de la destilación, las fracciones de destilado se extraen secuencialmente (una tras otra) durante la destilación, y la fracción de fondo restante se retira al final. Debido a que cada fracción de destilado se extrae en momentos diferentes, solo se necesita un punto de salida (ubicación) de destilado para una destilación por lotes y el destilado se puede simplemente cambiar a un recipiente diferente, un contenedor de recolección de fracciones. La destilación por lotes se usa a menudo cuando se destilan cantidades pequeñas. En una destilación continua, cada una de las corrientes de fracciones se toma simultáneamente durante toda la operación; por lo tanto, se necesita un punto de salida separado para cada fracción. En la práctica, cuando hay múltiples fracciones de destilado, los puntos de salida de destilado se ubican a diferentes alturas en una columna de fraccionamiento . La fracción de fondo se puede tomar del fondo de la columna o unidad de destilación, pero a menudo se toma de un rehervidor conectado al fondo de la columna.

Cada fracción puede contener uno o más componentes (tipos de compuestos químicos ). Al destilar petróleo crudo o una materia prima similar, cada fracción contiene muchos componentes con volatilidad y propiedades similares. Si bien es posible realizar una destilación continua a pequeña escala o en laboratorio, la destilación continua se utiliza con mayor frecuencia en procesos industriales a gran escala.

Aplicación industrial

La destilación es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química y la ingeniería de alimentos . [ 1 ] [ 2 ] La destilación continua se utiliza ampliamente en las industrias de procesos químicos donde se deben destilar grandes cantidades de líquidos. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Dichas industrias son el procesamiento de gas natural , la producción petroquímica , el procesamiento de alquitrán de hulla , la producción de licores , la separación de aire licuado , la producción de solventes de hidrocarburos , la separación de cannabinoides y otras industrias similares, pero encuentra su aplicación más amplia en las refinerías de petróleo . En dichas refinerías, la materia prima de petróleo crudo es una mezcla multicomponente muy compleja que debe separarse y no se esperan rendimientos de compuestos químicos puros, solo grupos de compuestos dentro de un rango relativamente pequeño de puntos de ebullición , que se denominan fracciones . Estas fracciones son el origen del término destilación fraccionada o fraccionamiento . A menudo no vale la pena separar más los componentes en estas fracciones según los requisitos del producto y la economía.

La destilación industrial se realiza normalmente en grandes columnas cilíndricas verticales (como se muestra en las imágenes 1 y 2), conocidas como "torres de destilación" o "columnas de destilación", con diámetros que oscilan entre unos 65 centímetros y 11 metros y alturas que van desde unos 6 metros hasta 60 metros o más.

Principio

Imagen 3: Esquema de ingeniería química de una torre de destilación fraccionada binaria continua. Una destilación binaria separa una corriente de mezcla de alimentación en dos fracciones: una destilada y otra de fondo.

El principio de la destilación continua es el mismo que el de la destilación normal: cuando una mezcla líquida se calienta hasta que hierve, la composición del vapor que se encuentra sobre el líquido difiere de la composición del líquido. Si este vapor se separa y se condensa en un líquido, este se enriquece en el o los componentes de menor punto de ebullición de la mezcla original.

Esto es lo que ocurre en una columna de destilación continua. Una mezcla se calienta y se introduce en la columna. Al entrar, la alimentación comienza a fluir hacia abajo, pero una parte, el componente o los componentes con menor punto de ebullición, se vaporizan y ascienden. Sin embargo, a medida que ascienden, se enfrían y, mientras una parte continúa ascendiendo en forma de vapor, otra parte (enriquecida en el componente menos volátil ) comienza a descender de nuevo.

La imagen 3 muestra una torre de destilación fraccionada continua simple para separar una corriente de alimentación en dos fracciones: un producto destilado superior y un producto inferior. Los productos más ligeros (aquellos con el punto de ebullición más bajo o la mayor volatilidad) salen por la parte superior de la columna y los productos más pesados ​​(los inferiores, aquellos con el punto de ebullición más alto) salen por la parte inferior. La corriente superior puede enfriarse y condensarse mediante un condensador enfriado por agua o por aire , o ambos. El rehervidor de los fondos puede calentarse con vapor, mediante un intercambiador de calor calentado con aceite caliente, mediante una corriente proveniente de otra parte del proceso, o incluso mediante un horno de gas o petróleo .

En una destilación continua, el sistema se mantiene en un estado estacionario o aproximadamente estacionario. El estado estacionario implica que las magnitudes relacionadas con el proceso no varían con el tiempo durante la operación. Estas magnitudes constantes incluyen el caudal de entrada de la alimentación, los caudales de salida, las tasas de calentamiento y enfriamiento, la relación de reflujo , y las temperaturas , presiones y composiciones en cada punto (ubicación). A menos que el proceso se vea afectado por cambios en la alimentación, el calentamiento, la temperatura ambiente o la condensación, el estado estacionario se mantiene normalmente. Esta es también la principal ventaja de la destilación continua, además de la mínima supervisión (fácilmente instrumentable); si el caudal y la composición de la alimentación se mantienen constantes, el caudal y la calidad del producto también lo son. Incluso cuando se produce una variación en las condiciones, los métodos modernos de control de procesos suelen ser capaces de devolver gradualmente el proceso continuo a otro estado estacionario.

Dado que una unidad de destilación continua se alimenta constantemente con una mezcla de alimentación y no se llena de una sola vez como en una destilación por lotes, no requiere un recipiente, depósito o caldera de destilación de gran tamaño para el llenado por lotes. En cambio, la mezcla se puede alimentar directamente a la columna, donde se produce la separación. La altura del punto de alimentación a lo largo de la columna puede variar según la situación y se diseña para proporcionar resultados óptimos. Véase el método McCabe-Thiele .

Una destilación continua suele ser una destilación fraccionada y puede ser una destilación al vacío o una destilación por arrastre de vapor .

Diseño y funcionamiento

El diseño y la operación de una columna de destilación dependen de la alimentación y los productos deseados. Para una alimentación simple de un solo componente binario, se pueden utilizar métodos analíticos como el método de McCabe-Thiele [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] o la ecuación de Fenske [ 5 ] para facilitar el diseño. Para una alimentación multicomponente, se utilizan modelos de simulación computarizados tanto para el diseño como para la operación de la columna. El modelado también se utiliza para optimizar columnas ya construidas para la destilación de mezclas distintas a aquellas para las que se diseñó originalmente el equipo de destilación.

Cuando una columna de destilación continua está en funcionamiento, es necesario monitorear de cerca los cambios en la composición de la alimentación, la temperatura de operación y la composición del producto. Muchas de estas tareas se realizan mediante equipos avanzados de control computarizado.

Alimentación de columna

La columna puede alimentarse de diferentes maneras. Si la alimentación proviene de una fuente con una presión superior a la de la columna de destilación, simplemente se introduce en la columna mediante tuberías. En caso contrario, la alimentación se bombea o se comprime dentro de la columna. La alimentación puede ser un vapor sobrecalentado , un vapor saturado , una mezcla líquido-vapor parcialmente vaporizada, un líquido saturado (es decir, un líquido en su punto de ebullición a la presión de la columna) o un líquido subenfriado . Si la alimentación es un líquido con una presión mucho mayor que la de la columna y fluye a través de una válvula reductora de presión justo antes de la columna, se expandirá inmediatamente y sufrirá una vaporización instantánea parcial , lo que dará como resultado una mezcla líquido-vapor al entrar en la columna de destilación.

Mejorar la separación

Imagen 4: Esquema simplificado de ingeniería química de una torre de destilación fraccionada continua que separa una corriente de mezcla de alimentación en cuatro fracciones de destilado y una de fondo.

Aunque en laboratorios se pueden usar unidades de tamaño pequeño, principalmente de vidrio, las unidades industriales son grandes recipientes verticales de acero (véanse las imágenes 1 y 2) conocidos como "torres de destilación" o "columnas de destilación". Para mejorar la separación, la torre suele estar provista en su interior de placas o bandejas horizontales , como se muestra en la imagen 5, o bien la columna se rellena con un material de empaquetamiento. Para proporcionar el calor necesario para la vaporización que implica la destilación y también para compensar la pérdida de calor, se suele añadir calor a la parte inferior de la columna mediante un rehervidor , y la pureza del producto superior se puede mejorar reciclando parte del líquido del producto superior condensado externamente como reflujo . Según su propósito, las columnas de destilación pueden tener salidas de líquido a intervalos a lo largo de la columna, como se muestra en la imagen 4.

Reflujo

Las torres de fraccionamiento industrial a gran escala utilizan reflujo para lograr una separación más eficiente de los productos. [ 3 ] [ 5 ] El reflujo se refiere a la porción del producto líquido condensado de cabeza de una torre de destilación que se devuelve a la parte superior de la torre, como se muestra en las imágenes 3 y 4. Dentro de la torre, el líquido de reflujo descendente proporciona enfriamiento y condensación parcial de los vapores ascendentes, aumentando así la eficacia de la torre de destilación. Cuanto mayor sea el reflujo proporcionado, mejor será la separación de los componentes de alimentación de menor y mayor punto de ebullición. Un equilibrio entre el calentamiento con un rehervidor en la parte inferior de una columna y el enfriamiento por reflujo condensado en la parte superior de la columna mantiene un gradiente de temperatura (o diferencia de temperatura gradual) a lo largo de la altura de la columna para proporcionar buenas condiciones para fraccionar la mezcla de alimentación. Los flujos de reflujo en la parte media de la torre se denominan bombeos de retorno.

Modificar el reflujo (en combinación con cambios en la alimentación y la extracción del producto) también puede utilizarse para mejorar las propiedades de separación de una columna de destilación continua durante su funcionamiento (a diferencia de añadir platos o bandejas, o cambiar el relleno, lo que requeriría, como mínimo, un tiempo de inactividad bastante significativo).

Platos o bandejas

Imagen 5: Diagrama de sección transversal de una torre de destilación fraccionada binaria con platos de burbujeo. (Véase la lámina teórica para una imagen ampliada del plato).

Las torres de destilación (como las de las imágenes 3 y 4) utilizan diversos métodos de contacto entre vapor y líquido para proporcionar el número necesario de etapas de equilibrio . Estos dispositivos se conocen comúnmente como "placas" o "bandejas". [ 8 ] Cada una de estas placas o bandejas se encuentra a una temperatura y presión diferentes. La etapa en la parte inferior de la torre tiene la presión y temperatura más altas. A medida que se asciende en la torre, la presión y la temperatura disminuyen en cada etapa sucesiva. El equilibrio vapor-líquido de cada componente de alimentación en la torre reacciona de forma particular a las diferentes condiciones de presión y temperatura en cada una de las etapas. Esto significa que cada componente establece una concentración diferente en las fases de vapor y líquido en cada una de las etapas, lo que da como resultado la separación de los componentes. En la imagen 5 se muestran algunos ejemplos de bandejas. En el artículo sobre placas teóricas se puede ver una imagen más detallada y ampliada de dos bandejas . El rehervidor suele actuar como una etapa de equilibrio adicional.

Si cada plato físico tuviera una eficiencia del 100%, el número de platos físicos necesarios para una separación determinada sería igual al número de etapas de equilibrio o platos teóricos. Sin embargo, esto rara vez ocurre. Por lo tanto, una columna de destilación necesita más platos que el número requerido de etapas teóricas de equilibrio vapor-líquido.

Embalaje

Otra forma de mejorar la separación en una columna de destilación es utilizar un material de relleno en lugar de platos. Estos ofrecen la ventaja de una menor caída de presión a lo largo de la columna (en comparación con platos o bandejas ), lo cual resulta beneficioso al operar al vacío. Si una torre de destilación utiliza relleno en lugar de platos, primero se determina el número de etapas de equilibrio teóricas necesarias y, a continuación, la altura de relleno equivalente a una etapa de equilibrio teórica , conocida como altura equivalente a un plato teórico (HETP). La altura total de relleno requerida es el número de etapas teóricas multiplicado por la HETP.

Este material de relleno puede ser un relleno aleatorio, como anillos Raschig , o una lámina metálica estructurada . Los líquidos tienden a humedecer la superficie del relleno y los vapores pasan a través de esta superficie humedecida, donde tiene lugar la transferencia de masa . A diferencia de la destilación convencional en bandejas, donde cada bandeja representa un punto separado de equilibrio vapor-líquido, la curva de equilibrio vapor-líquido en una columna de relleno es continua. Sin embargo, al modelar columnas de relleno, es útil calcular un número de platos teóricos para indicar la eficiencia de separación de la columna de relleno con respecto a las bandejas más tradicionales. Los rellenos de diferentes formas tienen diferentes áreas superficiales y espacios vacíos entre ellos. Ambos factores afectan el rendimiento del relleno.

Otro factor, además de la forma y la superficie del relleno, que afecta el rendimiento de un relleno aleatorio o estructurado es la distribución de líquidos y vapores que ingresan al lecho empacado. El número de etapas teóricas necesarias para lograr una separación determinada se calcula utilizando una relación vapor-líquido específica. Si el líquido y el vapor no se distribuyen uniformemente en la superficie de la torre al ingresar al lecho empacado, la relación líquido-vapor no será la correcta y no se logrará la separación requerida. El relleno parecerá no funcionar correctamente. La altura equivalente a un plato teórico (HETP) será mayor de lo esperado. El problema no radica en el relleno en sí, sino en la mala distribución de los fluidos que ingresan al lecho empacado. La mala distribución de líquidos es más frecuente que la de vapor. El diseño de los distribuidores de líquidos utilizados para introducir la alimentación y el reflujo a un lecho empacado es fundamental para que el relleno funcione con la máxima eficiencia. Los métodos para evaluar la efectividad de un distribuidor de líquidos se pueden encontrar en las referencias. [ 9 ] [ 10 ]

Disposiciones del sistema aéreo

Las imágenes 4 y 5 suponen una corriente superior que se condensa completamente en un producto líquido mediante refrigeración por agua o aire. Sin embargo, en muchos casos, la corriente superior de la torre no se condensa fácilmente por completo y el tambor de reflujo debe incluir una salida de gas de ventilación . En otros casos, la corriente superior también puede contener vapor de agua, ya sea porque la corriente de alimentación contiene agua o porque se inyecta vapor en la torre de destilación (como ocurre en las torres de destilación de crudo en las refinerías ). En esos casos, si el producto destilado es insoluble en agua, el tambor de reflujo puede contener una fase de destilado líquido condensado, una fase de agua condensada y una fase gaseosa no condensable, lo que hace necesario que el tambor de reflujo también tenga una salida de agua.

destilación multicomponente

Además de la destilación fraccionada, que se utiliza principalmente para el refinado del petróleo crudo, las mezclas multicomponentes se procesan habitualmente para purificar sus componentes individuales mediante una serie de columnas de destilación, es decir, el tren de destilación.

Tren de destilación

Un tren de destilación se define como una secuencia de columnas de destilación dispuestas en serie o en paralelo, cuyo objetivo es la purificación de mezclas multicomponentes.

Alternativas para intensificar procesos

La unidad de columna de pared divisoria es la unidad de intensificación de procesos más común relacionada con la destilación. En particular, se ha demostrado que la disposición en una sola pared de columna de la configuración Petlyuk [ 11 ] es termodinámicamente equivalente. [ 12 ]

Ejemplos

Destilación continua de petróleo crudo

Los crudos de petróleo contienen cientos de compuestos de hidrocarburos diferentes : parafinas , naftenos y aromáticos , así como compuestos orgánicos de azufre , compuestos orgánicos de nitrógeno y algunos hidrocarburos que contienen oxígeno , como los fenoles . Aunque los crudos generalmente no contienen olefinas , estas se forman en muchos de los procesos utilizados en una refinería de petróleo. [ 13 ]

La fraccionadora de petróleo crudo no produce productos con un único punto de ebullición; más bien, produce fracciones con rangos de ebullición. [ 13 ] [ 14 ] Por ejemplo, la fraccionadora de petróleo crudo produce una fracción superior llamada " nafta " que se convierte en un componente de la gasolina después de ser procesada a través de un hidrodesulfurador catalítico para eliminar el azufre y un reformador catalítico para reformar sus moléculas de hidrocarburos en moléculas más complejas con un valor de octano más alto .

La fracción de nafta, como se la denomina, contiene diversos compuestos de hidrocarburos. Por lo tanto, tiene un punto de ebullición inicial de aproximadamente 35  °C y un punto de ebullición final de aproximadamente 200  °C. Cada fracción producida en las columnas de fraccionamiento tiene un rango de ebullición diferente. A cierta distancia por debajo de la parte superior, se extrae la siguiente fracción del lateral de la columna, que suele ser la fracción de combustible para aviones, también conocida como fracción de queroseno . El rango de ebullición de esta fracción va desde un punto de ebullición inicial de aproximadamente 150  °C hasta un punto de ebullición final de aproximadamente 270  °C, y también contiene diversos hidrocarburos. La siguiente fracción, más abajo en la torre, es la fracción de gasóleo, con un rango de ebullición de aproximadamente 180  °C a aproximadamente 315  °C. Los rangos de ebullición entre cualquier fracción y la siguiente se superponen debido a que las separaciones por destilación no son perfectamente nítidas. Después de estas, vienen las fracciones de fuelóleo pesado y, finalmente, el producto de fondo, con rangos de ebullición muy amplios. Todas estas fracciones se procesan posteriormente en procesos de refinación subsiguientes.

Destilación continua de concentrados de cannabis

Una aplicación típica de la destilación de concentrados de cannabis es el aceite de hachís de butano (BHO). La destilación de corto recorrido es un método popular debido al breve tiempo de residencia , que minimiza el estrés térmico sobre el concentrado. En otros métodos de destilación , como la destilación por circulación, de película descendente y de columna, el concentrado se dañaría debido a los largos tiempos de residencia y las altas temperaturas que se deben aplicar.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Kroschwitz, Jacqueline I.; Seidel, Arza, eds. (2004). Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology . Vol.  8 (5.ª  ed.). Hoboken, Nueva Jersey: Wiley-Interscience. pp. 739–785 . ISBN  0471488100.
  2. ↑ McCabe, W., Smith, J. y Harriott, P. (2004). Operaciones unitarias de ingeniería química (7.ª ed.). McGraw Hill. ISBN  0-07-284823-5.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. 1 2 Kister, Henry Z. (1992). Diseño de destilación (1.ª ed.). McGraw-Hill. ISBN  0-07-034909-6.
  4. ↑ King, CJ (1980). Procesos de separación (2.ª ed.). McGraw Hill. ISBN  0-07-034612-7.
  5. 1 2 3 4 Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Manual del ingeniero químico de Perry (6.ª ed.). McGraw-Hill. ISBN  0-07-049479-7.
  6. ↑ Beychok, Milton (mayo de 1951). "Solución algebraica del diagrama de McCabe-Thiele". Chemical Engineering Progress .
  7. ↑ Seader, JD; Henley, Ernest J. (1998). Principios del proceso de separación . Nueva York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
  8. ↑ Fotografías de bandejas con tapa de burbuja y otros tipos de bandejas (Sitio web de Raschig GmbH)
  9. ↑ Empaquetamiento aleatorio, distribución de vapor y líquido: distribución de líquido y gas en torres de relleno comerciales , Moore, F., Rukovena, F., Chemical Plants & Processing, Edition Europe, agosto de 1987, págs. 11-15
  10. ↑ Empaquetado estructurado, distribución de líquidos: un nuevo método para evaluar la calidad del distribuidor de líquidos , Spiegel, L., Chemical Engineering and Processing 45 (2006), págs. 1011-1017
  11. ↑ Kiss, Anton Alexandru (2013). Tecnologías avanzadas de destilación : diseño, control y aplicaciones . ISBN  9781119993612.
  12. ↑ Madenoor Ramapriya, Gautham; Tawarmalani, Mohit; Agrawal, Rakesh (agosto de 2014). "Vínculos de acoplamiento térmico con flujos de transferencia exclusivamente líquidos: una vía para nuevas columnas divisorias". AIChE Journal . 60 (8): 2949– 2961. doi : 10.1002/aic.14468 .
  13. 1 2 Gary, JH; Handwerk, GE (1984). Tecnología y economía del refinado de petróleo (2.ª ed.). Marcel Dekker, Inc. ISBN  0-8247-7150-8.
  14. ↑ Nelson, WL (1958). Ingeniería de refinerías de petróleo (4.ª ed.). McGraw Hill. LCCN 57010913 .  
  • Teoría de la destilación por Ivar J. Halvorsen y Sigurd Skogestad, Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, Noruega
  • Destilación. Archivado el 13 de julio de 2014 en Wayback Machine por Distillation Group, EE. UU.
  • Apuntes de clase sobre destilación archivados el 12 de agosto de 2022 en Wayback Machine por el profesor Randall M. Price en la Universidad Christian Brothers.
  • Destilación de petróleo por Wayne Pafco
  • Software de simulación de destilación