06DESTILADORES - Noemi Rizo

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6. ANALISIS DE COLUMNAS DE DESTILACION 
 
6.1. INTRODUCCION 
 
Una columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de 
equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, 
por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas 
de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento. 
 
Se requiere de un dispositivo, como un rehervidor, donde se transfiera calor al líquido 
que emerge de la etapa de equilibrio correspondiente al fondo de la columna para 
vaporizarlo parcialmente, de tal manera que la fracción vaporizada se recircula al fondo 
de la columna y se mantenga en un flujo ascendente a través de la columna. La fracción 
no vaporizada se remueve como producto de fondo. 
 
El vapor que emerge de la etapa superior de la sección de rectificación es condensado, y 
el líquido resultante se divide en dos fracciones. Una fracción se remueve como el 
producto de tope o destilado. La otra fracción líquida, denominada reflujo, se recircula al 
tope de la columna y se mantiene en un flujo descendente a través de ella, estableciendo 
el contacto requerido con la fase vapor ascendente para la transferencia de masa deseada 
en cada una de las etapas de equilibrio líquido - vapor. 
 
En la gran mayoría de columnas de destilación, el rehervidor es parcial pero el 
condensador puede ser total o parcial. Un condensador es total cuando todo el vapor del 
tope de la columna es completamente condensado, en el caso contrario se conoce como 
un condensador parcial. Si toda la fracción condensada se recircula a la columna se dice 
que la columna opera a reflujo total 
 
Las columnas de destilación complejas muestran una configuración diferente a las 
columnas simples. Por ejemplo, varias corrientes de alimento o varias corrientes de 
productos laterales 
 
El número de variables de diseño, tanto para columnas simple como complejas, se puede 
hacer mediante la determinación de la suma de las variables de los elementos que las 
integran y restándole a esta las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los 
elementos se combinan, es decir, aplicando la ecuación (4.2). De igual manera, las nuevas 
restricciones incluidas son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las 
corrientes comunes entre dos elementos. Por lo tanto, un número de C + 2 nuevas 
relaciones de restricción deben contarse para cada corriente común en la combinación de 
elementos 
 
En esta sección se analizan columnas de destilación simple y compleja, con 
condensadores total o parcial y con reflujo parcial o total 
70 
 
6.2 ANALISIS DE COLUMNAS DE DESTILCION TIPICAS 
 
A continuación se analizan algunos casos de columnas de destilación con diferencias 
como el número de corrientes de alimento, el número de corrientes laterales y el tipo de 
condensador 
 
 
Destilación con un alimento, condensador total y rehervidor parcial 
 
 
 
 
Figura 6.1. Columna de destilación – condensador total – rehervidor parcial 
 
 
Esta unidad, Figura 6.1, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas 
de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador total, un divisor 
de corrientes y un rehervidor parcial. 
 
El número total de variables para cada uno de los seis elementos es 
 
 Especificaciones uiN 
 
Condensador Total C +4 
Divisor de corrientes C + 5 
Sección de rectificación 2C + 2(N – M – 1) +5 
Etapa de alimentación 3C + 8 
71 
 
Sección de agotamiento 2C + 2M + 5 
Rehervidor C + 4 
Total 10C + 2N + 29 
 
 
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 9 corrientes comunes está 
dado por: 189)2(9 +=+= CCN uc y el número total de variables de la columna de 
destilación con condensador total y rehervidor parcial esta dado por 
 
 
112)189()29210( ++=+−++= NCCNCN ui 
 
 
El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 11) grados de libertad de la siguiente 
manera, 
 
 
 Especificaciones uiN 
 
Presión en cada etapa de equilibrio N 
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N 
Corriente de alimentación C + 2 
Cantidad de etapas de equilibrio 1 
Número de la etapa de alimentación 1 
Presión en el fondo de la columna 1 
Caída de presión en el rehervidor 1 
Presión en el tope de la columna 1 
Caída de presión en el condensador 1 
Flujo calórico en el rehervidor 1 
Flujo calórico en el condensador 1 
Razón de reflujo 1 
Total C + 2N + 11 
 
 
Destilación con un alimento, condensador parcial y rehervidor parcial 
 
Esta unidad, Figura 6.2, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas 
de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial, un 
divisor de corrientes y un rehervidor parcial. El número total de variables, el número de 
restricciones adicionales y el número de variables de diseño para la unidad es el mismo 
del caso anterior y por lo tanto, las posibles especificaciones también son las mismas. 
 
72 
 
 
 
Figura 6.2. Columna de destilación – condensador parcial – rehervidor parcial 
 
 
Destilación con un alimento, condensador parcial de reflujo total y rehervidor 
parcial 
 
Esta unidad, Figura 6.3, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas 
de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial con 
reflujo total de líquido, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial. 
 
 
 
 
Figura 6.3. Destilación con condensador parcial reflujo total – rehervidor parcial 
73 
 
El número total de variables, el número de restricciones adicionales y el número de 
variables de diseño para la unidad es el mismo del caso anterior y por lo tanto, las 
posibles especificaciones también son las mismas. Se sabe anticipadamente que la razón 
de reflujo es 1, porque la columna opera a reflujo total 
 
 
Destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial 
 
Esta unidad, Figura 6.4, contiene tres secciones de etapas de equilibrio en cantidades de 
M, L – M – 1 y N – L - 1, dos etapas de equilibrio con alimentación, un condensador 
parcial, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial. 
 
 
 
 
Figura 6.4. Destilación con dos alimentos – condensador parcial – rehervidor parcial 
 
 
El número total de variables para cada uno de los ocho elementos es 
 
 Especificaciones uiN 
 
Condensador Parcial C +4 
Divisor de corrientes C + 5 
Sección de N – L -1 etapas de equilibrio 2C + 2(N – L – 1) +5 
Etapa de alimentación F1 3C + 8 
Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio 2C + 2(L – M – 1) + 5 
74 
 
Etapa de alimentación F2 3C + 8 
Sección de M etapas de equilibrio 2C + 2M + 5 
Rehervidor C + 4 
Total 15C + 2N + 40 
 
 
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes 
está dado por: 2613)2(13 +=+= CCN uc y el número total de variables de la columna 
de destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial esta dado por 
 
 
1422)2613()40215( ++=+−++= NCCNCN ui 
 
 
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 14) grados de libertad de la siguiente 
manera, 
 
 Especificaciones uiN 
 
Presión en cada etapa de equilibrio N 
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N 
Corriente de alimentación F1 C + 2 
Corriente de alimentación F2 C + 2 
Cantidad de etapas de equilibrio 1 
Número de la etapa de alimentación F1 1 
Número de la etapa de alimentación F2 1 
Presión en el fondo de la columna 1 
Caída de presión en el rehervidor 1 
Presión en el tope de la columna 1 
Caída de presión en el condensador 1 
Flujo calórico en el rehervidor 1 
Flujo calórico en el condensador 1 
Razón de reflujo 1 
Total 2C + 2N + 14 
 
 
Destilación con un alimento, una corriente lateral, condensador total y 
rehervidor parcial 
 
Esta unidad, Figura 6.5, contiene tres seccionesde etapas de equilibrio en cantidades de 
M, L – M – 1 y N – L - 1, una etapa de equilibrio con alimentación, una etapa de 
75 
 
equilibrio con corriente lateral, un condensador total, un divisor de corrientes y un 
rehervidor parcial. 
 
El número total de variables para cada uno de los seis elementos es 
 
 Especificaciones uiN 
 
Condensador Total C +4 
Divisor de corrientes C + 5 
Sección de N – L -1 etapas de equilibrio 2C + 2(N – L – 1) +5 
Etapa de con corriente lateral 2C + 7 
Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio 2C + 2(L – M – 1) + 5 
Etapa de alimentación F2 3C + 8 
Sección de M etapas de equilibrio 2C + 2M + 5 
Rehervidor C + 4 
Total 14C + 2N + 39 
 
 
 
 
Figura 6.5. Destilación con un alimento – corriente lateral – condensador parcial y 
rehervidor parcial 
 
 
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes 
está dado por: 2613)2(13 +=+= CCN uc y el número total de variables de la columna 
de destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial esta dado por: 
76 
 
132)2613()39214( ++=+−++= NCCNCN ui 
 
 
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 13) grados de libertad de la siguiente 
manera, 
 
 Especificaciones uiN 
 
Presión en cada etapa de equilibrio N 
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N 
Corriente de alimentación C + 2 
Flujo de corriente lateral 1 
Cantidad de etapas de equilibrio 1 
Número de la etapa de alimentación 1 
Número de la etapa con corriente lateral 1 
Presión en el fondo de la columna 1 
Caída de presión en el rehervidor 1 
Presión en el tope de la columna 1 
Caída de presión en el condensador 1 
Flujo calórico en el rehervidor 1 
Flujo calórico en el condensador 1 
Razón de reflujo 1 
Total C + 2N + 13 
 
 
6.3 ANALISIS DE COLUMNAS - METODO CORTO 
 
Uno de los procedimientos más usualmente utilizados para obtener estimativos 
simplificados del número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación 
es el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand. 
 
 
Correlación de Gililand 
 
Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas 
teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo 
total, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, y la relación de reflujo de operación, R. 
 
Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica 
de Gililand que fue publicada en la revista “Hydrocarbon Processing” de Septiembre de 
1975 y que tiene la siguiente forma: 
 
77 
 














+
−
−=
+
− 5688.0
1
175.0
1 R
RR
N
NN mm
 (6.1) 
 
 
Ecuación de Fenske 
 
Para sistemas de volatilidad relativa constante, α, Fenske demostró una ecuación para el 
número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla 
multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones 
en el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, 
LK y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave 
liviano con respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es 
 
 
 HKLK
LKW
HKW
HKD
LKD
m
X
X
X
X
N
/
,
,
,
,
ln
ln
α
























=
 (6.2) 
 
 
Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de 
recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el 
cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave 
pesado se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (6.2). Conocido 
éste se pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes 
con sus respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación 
 
Ecuaciones de Underwood 
 
Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo 
mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones 
demostradas por Underwood y corresponden a las siguientes fórmulas: 
 
 
 
q
Xn
i i
Fii −=
−∑=
1
1
,
θα
α
 (6.3) 
 
m
n
i i
Dii R
X
+=
−∑=
1
1
,
θα
α
 (6.4) 
78 
 
Siendo n, el número de componentes en la mezcla, q, la condición o calidad del alimento 
y mR , la razón de reflujo mínimo 
 
Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (6.3) se utiliza para calcular 
la variable θ  y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades 
relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado. La segunda 
ecuación de Underwood, (6.4) utiliza el valor de θ, calculado con la ecuación (6.3) para 
estimar la relación de reflujo mínimo. Una solución exacta de este par de ecuaciones 
requiere de un procedimiento de ensayo y error 
 
 
Relación de reflujo de operación 
 
Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor 
que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la 
columna, pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta 
los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador. La 
experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en 
un intervalo dado por 
 
 
 3.1/03.1 << mRR (6.5) 
 
 
Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de 
reflujo de 1.2 veces la mínima 
 
 
Destilación con un alimento, condensador total y rehervidor parcial – Método 
corto 
 
En la Sección 6.2 se demostró que para una columna de destilación con un alimento, 
condensador total, divisor de corriente de condensado y rehervidor, el número de 
variables de diseño es dador por, 112 ++= NCN ui 
 
El análisis de una columna de destilación mediante la Correlación de Fenske – 
Underwood y Gililand agrega las relaciones de restricción correspondientes a cada una de 
las ecuaciones del método, es decir, cuatro en total. Al deducir estas ecuaciones del 
número de variables de diseño, el nuevo total es: 72 ++= NCN ui 
 
79 
 
El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 7) grados de libertad de la siguiente manera, 
 
 Especificaciones uiN 
 
Presión en cada etapa de equilibrio N 
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N 
Corriente de alimentación C + 2 
Concentración de componente clave pesado en destilado 1 
Concentración de componente clave liviano en producto de fondo 1 
Presión en el condensador 1 
Presión en el rehervidor 1 
Razón de reflujo 1 
Total C + 2N + 7 
 
 
CASO DE ESTUDIO 
 
Para una columna de destilación con dos alimentos, dos productos laterales, un 
condensador parcial con reflujo y un rehervidor parcial: 
 
a. Demuestre que el número de variables de diseño es: 1822 ++= NCN ui 
b. Sugiera las posibles especificaciones que un diseñador puede disponer para 
completar el número de grados de libertad