tesis-torre-de-destilacion

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
 
 
 
 
“Parametrización, Simulación y Propuesta de Monitoreo de una 
Torre de Destilación binaria para la obtención de Oxígeno y 
Nitrógeno.” 
 
 
 
 
 T É S I S 
 
Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E : 
I n g . E n C o n t r o l y A u t o m a t i z a c i ó n 
 
 
 
 P R E S E N T A N 
García Vázquez Óscar 
Rodríguez Salinas Mónica Estela 
Solís Lara Pedro Fernando 
 
 
 
 
 
 
 
 
ASESORES: 
M. en T. A. Vega Macotela Leonardo Gabriel 
M. en C. Maya Pérez Edgar 
 
 
 
 MÉXICO, D.F. 11 de noviembre de 2013 
 
 
Contenido 
Índice de Figuras ................................................................................................................................5 
Índice de Tablas..................................................................................................................................7 
Resumen ............................................................................................................................................1 
Objetivos ............................................................................................................................................3 
Justificación ........................................................................................................................................4 
Capítulo I ............................................................................................................................................6 
1.1 Antecedentes .........................................................................................................................7 
1.2 Productos y subproductos ....................................................................................................12 
1.2.1 Oxígeno ........................................................................................................................12 
1.2.1.1 Breve Reseña Histórica .........................................................................................12 
1.2.1.2 Descripción ...........................................................................................................13 
1.2.1.3 Propiedades físico químicas ..................................................................................13 
1.2.2 Nitrógeno .....................................................................................................................13 
1.2.2.1 Breve Reseña Histórica .........................................................................................14 
1.2.2.2 Descripción ...........................................................................................................14 
1.2.2.3 Propiedades físico químicas ..................................................................................14 
1.2.4 Normatividad.......................................................................................................................15 
1.3 Usos y aplicaciones ...............................................................................................................15 
1.3.1 Aplicaciones del oxígeno ..............................................................................................16 
1.3.1.1 Fabricación de acero.....................................................................................................16 
1.3.1.2 Oxicorte ........................................................................................................................16 
1.3.1.3 Soldadura .....................................................................................................................17 
1.3.1.4 Oxigeno terapia ............................................................................................................17 
1.3.2 Aplicaciones del nitrógeno ...........................................................................................17 
1.3.2.2 Componentes electrónicos ...........................................................................................18 
1.3.2.3 Envasado de alimentos y bebidas .................................................................................18 
1.3.2.4 Prevención de incendios ...............................................................................................18 
Capítulo II .........................................................................................................................................20 
2.1 Torres de destilación ............................................................................................................21 
2.2 Usos y aplicaciones ...............................................................................................................23 
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885724
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885746
 
 
2.2.1 Aplicación en la industria petrolera ..............................................................................23 
2.2.2 Aplicación en la industria cervecera .............................................................................23 
2.3 Materiales ............................................................................................................................24 
2.4 Instrumentación en las torres de destilación .......................................................................24 
2.4.1 Instrumentación de la Variable Composición ...............................................................25 
2.4.2 Instrumentación de la Variable Presión ........................................................................27 
2.4.3 Instrumentación de la VariableTemperatura ................................................................28 
2.4.4 Tubería .........................................................................................................................32 
Capítulo III ........................................................................................................................................35 
3.1 Proceso de separación vapor-líquido del aire. .....................................................................36 
3.2 Regla de fases y equilibrio. ...................................................................................................36 
3.3 La ley de Raoult ....................................................................................................................36 
3.4 Diagrama de puntos de ebullición. .......................................................................................37 
3.5 Contacto de equilibrio de una sola etapa. ............................................................................39 
3.6 Volatilidad relativa ...............................................................................................................40 
3.7 Torre de destilación binaria. .................................................................................................41 
3.8 Método de McCabe–Thiele para el cálculo del número de etapas Teóricas. .......................43 
3.8.1 Ecuaciones de la torre. .................................................................................................45 
3.8.2 Sección de enriquecimiento .........................................................................................46 
3.8.3 Sección de empobrecimiento .......................................................................................48 
3.8.4 Efecto de las condiciones de operación ........................................................................49 
3.8.5 La localización del plato de alimentación en una torre y número de platos. ................51 
3.8.6 Reflujo total y mínimo para el método de McCabe-Thiele ...........................................52 
3.8.7 Reflujo mínimo .............................................................................................................533.8.8 Reflujo óptimo ..............................................................................................................53 
3.9 Base de cálculo para el número de platos. ...........................................................................54 
3.9.1 Ley de fases. .................................................................................................................54 
3.9.2 Diagrama de equilibrio .................................................................................................54 
3.9.3 Flujos totales de la torre. ..............................................................................................59 
3.9.4 Composiciones .............................................................................................................63 
3.9.5 Condiciones de alimentación ........................................................................................64 
3.9.6 Reflujo total ..................................................................................................................65 
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885757
 
 
3.9.7 Reflujo mínimo .............................................................................................................67 
3.9.8 Reflujo óptimo ..............................................................................................................69 
3.9.9 Velocidad de inundación de gas referida al área neta ..................................................74 
3.10 Descripción del Modelo Matemático ...................................................................................79 
3.10.1 Modelos rigurosos ........................................................................................................79 
3.10.2 Simplificaciones del modelo .........................................................................................81 
3.10.2.1 Simplificación a las dinámicas de vapor ....................................................................81 
3.10.2.2 Simplificaciones en el balance de energía ................................................................82 
3.10.2.3 Simplificaciones en la dinámica del flujo del líquido.....................................................83 
3.10.2.4 Obtención de la suposición de los flujos molares constantes ...................................84 
3.10.3 Obtención de Parámetros ................................................................................................84 
Capítulo IV ........................................................................................................................................92 
4.1 Sistema de control distribuido Freelance .............................................................................93 
4.1.1 Características de Hardware .............................................................................................93 
4.1.2 Módulos Para Comunicación ............................................................................................95 
4.1.3 Características y Beneficios ..............................................................................................96 
4.1.4 FREELANCE AC800F DigiVis Nivel Operador .....................................................................96 
4.1.5 Sistema de Comunicación.................................................................................................97 
4.1.6 Sistema Bus ......................................................................................................................98 
4.1.7 OPC ...................................................................................................................................98 
4.2 Software Matlab y Simulink de Mathworks ..........................................................................99 
4.3 Desarrollo del OPC .............................................................................................................100 
4.3.1 Desarrollo del programa de Control Builder F ............................................................103 
4.3.2 Desarrollo del programa de Matlab............................................................................112 
4.4 Desarrollo de la HMI ...........................................................................................................115 
Capítulo V .......................................................................................................................................118 
5.1 Resultados ..........................................................................................................................119 
5.2 Conclusiones ......................................................................................................................121 
5.3 Trabajo Futuro ....................................................................................................................122 
Glosario ..........................................................................................................................................123 
Fuentes de información .................................................................................................................124 
Anexos ............................................................................................................................................125 
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885792
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885806
file:///C:/Users/Pedro/Documents/tesis%20final%20bien2%20correcciones%20corregidas.docx%23_Toc390885812
 
 
 
Índice de Figuras 
Figura 1.1.1: Diagrama TS del Aire ..............................................................................................8 
Figura 1.1.2: Proceso de la Laminación Isontálpica en 1985 ....................................................9 
Figura 1.1.3: Diagrama TS del Proceso de Laminación Isoentálpica ......................................9 
Figura 1.1.4: Diagrama de Proceso de la Expansión Isoentrópica ........................................10 
Figura 1.1.5: Diagrama TS de la Expansión Isoentrópica .......................................................11 
Figura 1.1.6: Proceso mixto de Linde-Claude ...........................................................................11 
Figura 1.1.7: Diagrama TS del Proceso mixto de Linde-Claude .............................................12 
Figura 2.1.1: Principales Componentes de una Torre de Destilación ....................................21 
Figura 2.1.2: Comportamiento del vapor y el líquido en una torre de destilación ................22 
Figura 2.4.1: Funcionamiento general de un cromatógrafo [3] ...............................................26 
Figura 2.4.2: Funcionamiento del termistor [3] ..........................................................................27 
Figura 2.4.3: Diagrama de Tuberías e Instrumentación de la Torre de Destilación .............33 
Figura 3.4.1: Diagrama de puntos de ebullición. .......................................................................38 
Figura 3.4.2: Diagrama de equilibrio para el sistema N2 y O2 .................................................39 
Figura 3.5.1: Contacto de una sola etapa. .................................................................................39 
Figura 3.7.1: Proceso de etapas múltiples en contra corriente ...............................................42 
Figura 3.7.2: Flujo de proceso de torre de destilación fraccionada binaria con platos de 
burbujeo [4] ....................................................................................................................................43 
Figura 3.8.1: Flujo de vapor y líquido saliendo de un plato n [6] ............................................44 
Figura 3.8.2: secciones de torre de fraccionada con hervidor y condensador [6] ................45Figura 3.8.3: Balance de materiales en la sección de enriquecimiento. [6] ..........................46 
Figura 3.8.4: Balance de materiales de la sección de empobrecimiento [6] .........................48 
Figura 3.8.5: Relación del flujo de alimentación en la sección de enriquecimiento y 
empobrecimiento. [6] ....................................................................................................................50 
Figura 3.9.1: Diagrama de puntos de ebullición. .......................................................................55 
Figura 3.9.2: Gráfica generada con los valores de la tabla 3.9.3 ...........................................58 
Figura 3.9.3: Diagrama de equilibrio del sistema N2 y O2y líneas rectas que salen de las 
composiciones xW ,xF y xD ...........................................................................................................64 
Figura 3.9.4: Línea q trazada sobre el diagrama de equilibrio del sistema ...........................65 
Figura 3.9.5: Platos teóricos considerando un reflujo total. .....................................................66 
Figura 3.9.6: Punto comprimido que se genera en el reflujo mínimo .....................................68 
Figura 3.9.7: Línea de operación de enriquecimiento ..............................................................70 
Figura 3.9.8: Línea de empobrecimiento....................................................................................73 
Figura 3.9.9: Número Total de Platos .........................................................................................74 
Figura 3.9.10: Espacio entre los Platos [7] ................................................................................77 
Figura 3.9.11: Espacio entre los platos [7] .................................................................................78 
Figura 3.10.1: Etapas en la torre de destilación [8] ..................................................................80 
Figura 3.10.3.1: Gráfica de Composición del Destilado ...........................................................90 
 
 
Figura 3.10.3.2: Gráfica de Composición del Destilado en la parte de arriba de la Torre ..91 
Figura 4.1.1: Sistema Freelance [9] ............................................................................................93 
Figura 4.1.1.1: Hardware Freelance AC800F [9] ......................................................................94 
Figura 4.1.4.1: Ambiente DigiVis [9] ...........................................................................................97 
Figura 4.1.5.1: Sistemas de Comunicación Freelance [9] .......................................................97 
Figura 4.1.7.1: Ejemplo de Red OPC [9] ....................................................................................98 
Figura 4.3.1: Diagrama de flujo para la comunicación OPC .................................................101 
Figura 4.3.2: Definición del servidor OPC de Freelance ........................................................102 
Figura 4.3.3: Detección del servidor OPC desde OPC Tunnel .............................................102 
Figura 4.3.4: Cambio de la dirección IP de la computadora ..................................................103 
Figura 4.3.5: Creación de un nuevo proyecto en Control Builder F .....................................104 
Figura 4.3.6: Árbol de proyecto de Control Builder F .............................................................104 
Figura 4.3.7: Inserción del nivel de configuración de Control Builder F ...............................105 
Figura 4.3.8: Determinación del lenguaje de programación a utilizar ..................................105 
Figura 4.3.9: Creación de las nuevas variables ......................................................................106 
Figura 4.3.10: Adición de la variable de escritura al programa .............................................106 
Figura 4.3.11: Estructura de programación terminada ...........................................................107 
Figura 4.3.12: Adición del nivel OPC Server al proyecto .......................................................107 
Figura 4.3.13: Adición del nivel Gateway Station al proyecto ...............................................108 
Figura 4.3.14: Definición de las direcciones IP de todas las estaciones de proceso.........108 
Figura 4.3.15: Configuración del Hardware Structure ............................................................109 
Figura 4.3.16: Revisión de errores en el proyecto ..................................................................110 
Figura 4.3.17: Proyecto en modo comisionamiento ...............................................................110 
Figura 4.3.18: Página del administrador del emulador del controlador de Freelance .......111 
Figura 4.3.19: Estableciendo comunicación con el controlador ............................................111 
Figura 4.3.20: Inserción de bloques en Simulink ....................................................................112 
Figura 4.3.21: Selección del OPC Server de Freelance ........................................................113 
Figura 4.3.22: Definición de la variable setpoint en Matlab ...................................................114 
Figura 4.3.23: Definición de la variable entrada2 en Matlab .................................................114 
Figura 4.4.1: Inserción de la imagen tipo mapa de bits .........................................................116 
Figura 4.4.2: Asignación de la Variable de lectura .................................................................116 
Figura 4.4.3: Visualización de la HMI .......................................................................................117 
 
 
 
 
 
 
 
Índice de Tablas 
Tabla 1.2.1: Propiedades fisicoquímicas del Oxígeno .............................................................13 
Tabla 1.2.2: Propiedades fisicoquímicas del Nitrógeno ...........................................................14 
Tabla 1.3.1: Concentración y pureza del nitrógeno ..................................................................19 
Tabla 2.4.1: Especificaciones del instrumento [5] .....................................................................28 
Tabla 2.4.2: Especificaciones del instrumento [5] .....................................................................29 
Tabla 2.4.3: Ubicación de los dispositivos [5] ............................................................................31 
Tabla 3.9.1: Valor de composición en función de la temperatura para el líquido saturado 55 
Tabla 3.9.2: Valor de composición en función de la temperatura para el vapor saturado ..56 
Tabla 3.9.3: Valores de concentración de N2 en el líquido y en el vapor ..............................57 
Tabla 3.9.4: Composición del aire atmosférico .........................................................................58 
Tabla 3.9.5: Valores de composición del aire que consideramos ..........................................59 
Tabla 3.9.6: Valores en los que se grafica la línea de enriquecimiento .................................69 
Tabla 3.9.7: Valores en los que se grafica la línea de empobrecimiento ..............................73 
Tabla 4.1.1.1: Características de Hardware ..............................................................................93 
Tabla 4.1.2.1: Comunicación por Fiedlbus en Freelance ........................................................95 
Tabla 4.1.2.2: Comunicación por EtherNet en Freelance ........................................................95 
 
1 
 
Resumen 
En el presente trabajo se plantea una propuesta de monitoreo de una torre binaria 
de destilación para la producción de nitrógeno con 99% de pureza y oxígeno 
utilizando la plataforma de control distribuido Freelance de ABB. 
Debido a que no se cuenta con una torre físicamente se simuló el comportamiento 
de dicha torre mediantesu modelo matemático en el software Matlab y Simulink 
de Mathworks y se comunicó mediante OPC con Control Builder F de ABB donde 
se realizó una HMI y se visualizó en el software DigiVis de ABB para simular dicha 
torre, el controlador y la comunicación de los instrumentos, así como la adquisición 
de datos. 
En el capítulo uno se describen los antecedentes del proceso de separación de 
aire para la obtención de nitrógeno y oxígeno, se muestran las características 
físico químicas del nitrógeno y del oxígeno, se mencionan algunas de las normas 
respecto a su uso y se plantean algunas de las aplicaciones del nitrógeno y del 
oxígeno. 
En el capítulo dos se narran los diferentes tipos de torres de destilación, los 
principales componentes que integran las torres, algunas de sus principales 
aplicaciones dentro de la industria, se propone un diseño de diagrama de tubería e 
instrumentación para la destilación del aire en dos componentes (nitrógeno y 
oxígeno) justificando la instrumentación propuesta 
Por otro lado, en el capítulo tres se explica el proceso de separación vapor líquido, 
el uso de los diagramas de puntos de ebullición, se generó el diagrama de 
equilibrio para el sistema nitrógeno oxígeno, calculando la volatilidad relativa del 
sistema, el reflujo para el sistema, la ecuación de la sección de enriquecimiento y 
de empobrecimiento del sistema, el número de platos por el método de MacCabe-
Thiele, la velocidad de inundación de los platos, el área y diámetro de la torre, el 
espacio entre cada plato y altura de la torre, se describe el modelo matemático y 
los parámetros necesarios para que el modelo del doctor Sigur Skogestad 
funcione para la torre binaria de destilación del aire. 
En el capítulo cuatro se describen las características de la plataforma de control 
distribuido Freelance tanto de software, hardware y los protocolos de 
comunicación con los cuales es compatible, se describe de manera general el 
software Matlab y Simulink, se describe como se desarrolló la comunicación OPC 
entre Matlab y Control Builder F, mostrando como se desarrolló el programa en 
Control Builder F, se desarrolla el programa de Matlab, y se desarrolló la interfaz 
hombre máquina. 
2 
 
Por último, se analizan los resultados y las conclusiones después de parametrizar 
el modelo y los resultados mostrados en la interface hombre máquina en DigiVis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
Objetivos 
 
Objetivo general: 
Realizar el monitoreo de la dinámica de una torre binaria de destilación para 
la obtención de nitrógeno y oxígeno mediante una HMI en la plataforma de 
control distribuido Freelance. 
 
Objetivos particulares 
 Parametrizar la torre binaria de destilación para la obtención de nitrógeno y 
oxígeno. 
 Simular la dinámica correspondiente a la composición de ambos fluidos en 
la torre binaria de destilación. 
 Diseñar la propuesta del diagrama de tubería e instrumentación de la torre 
binaria de destilación. 
 Diseñar y simular la interfaz hombre máquina de la torre binaria de 
destilación mediante la plataforma de control distribuido Freelance. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
Justificación 
 
La destilación es una de las operaciones unitarias más importantes ya que permite 
la separación vapor líquido de una parte importante de procesos químicos y 
algunas sustancias biológicas que son necesarias como materia prima de algún 
proceso o son utilizadas como un producto final. Uno de los equipos utilizados 
para llevar acabo la destilación es la torre de destilación binaria, dentro de este 
equipo se llevan a cabo una serie de etapas de separaciones de los componentes 
de una mezcla debido a la vaporización de alguno de ellos ya que presentan 
diferentes puntos ebullición, la torre se describe como binaria puesto que solo 
contiene dos elementos. 
El monitoreo de un proceso tiene como ventaja poder visualizar una gran cantidad 
de variables de interés desde un solo punto, pero debido al tamaño, la complejidad 
de los procesos, la necesidad de automatizar y controlar los procesos industriales 
para producir cada vez más, con menos recursos y con una mejor calidad, ya no 
es suficiente solo poder visualizar las variables por lo que ahora es posible utilizar 
sus valores para llevar acciones de control. Una herramienta muy útil para este 
proceso es la plataforma de control distribuido Freelance. 
La plataforma de control distribuido Freelance de ABB es una de las plataformas 
actuales que permite adquirir datos, poder visualizarlos, realizar acciones de 
control y que estos se puedan vincular y comunicar, entre si intercambiando 
valores de las variables de interés o estados. 
Teniendo en cuenta que los productos obtenidos por la separación del aire tienen 
múltiples aplicaciones dentro de la industria y el uso de las torres de destilación 
con este fin es cada vez más común se propone el monitoreo de una torre binaria 
para la obtención de dichos productos en particular nitrógeno y oxígeno en la 
plataforma de control distribuido para que pueda vincularse con otras áreas del 
proceso al que pertenezca. 
Debido a que no se cuenta con una torre de destilación binaria para esta 
aplicación se utilizó el modelo propuesto por el doctor Sigur Skogestad que 
muestra la dinámica de una torre de destilación binaria, adaptando el modelo al 
proceso de la destilación del aire, se propone una parametrización con los datos 
que se calcularon para obtener nitrógeno con una pureza del 99% y oxígeno de 
baja pureza. 
El presente trabajo sirve como precedente para diseñar el monitoreo de alguna 
otra torre binaria para una aplicación diferente ya que contiene información para 
5 
 
poder simular su funcionamiento mediante el modelo del doctor Sigur Skogestad y 
vincularla con la plataforma de control distribuido Freelance. 
Cabe señalar que en el presente trabajo los cálculos para la parametrización de un 
modelo matemático sólo se utilizaron para la propuesta de instrumentación y 
adquisición de datos, debido a la escasa información con que se cuenta en las 
fuentes de información. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I 
Estado del Arte 
 
7 
 
1.1 Antecedentes 
 
El aire es una mezcla de gases formada por aproximadamente un 78% de 
nitrógeno, un 21% de oxígeno, un 0,9% de argón y un 0,1% de gases nobles. Para 
poder separarlos se recurre al método de destilación fraccionada, a través del cual 
la mezcla gaseosa se licua mediante la disminución de la temperatura y el 
aumento de la presión. 
 
La obtención de los principales componentes del aire constituye un método 
industrial, definido de la siguiente forma: 
 Primero el aire seco se convierte en aire líquido a través de la refrigeración 
a ( -173°C ); 
 El aire licuado se transfiere entonces a la columna de fraccionamiento; 
 En la columna existen compartimentos con distintas temperaturas, donde 
cada componente se separa de acuerdo con su temperatura de ebullición 
(T. E.) 
Los productos resultantes del proceso son: 
 Oxígeno (O2) T.E. = (-182.97 °C) 
 Argón (Ar) T.E. = (-186 °C) 
 Nitrógeno (N2) T.E. = (-195.8 °C) 
Los gases obtenidos tienen aplicación en diversos sectores que van desde la 
salud a la alimentación, pasando por la electricidad, metalurgia, química, 
petroquímica, pasta y papel hasta el medio ambiente. 
 
El diagrama de la figura 1.1.1 muestra la curva del comportamiento del aire en su 
estado natural, es la respuesta de la temperatura del aire mientras su entropía 
cambia. A este diagrama se le conoce como diagrama TS. 
8 
 
 
Figura 1.1.1: Diagrama TS del Aire 
 
 
 
Actualmente las torres de destilación se utilizan en distintos procesos industriales, 
como en la industria petrolera y alimenticia, de aquí la importancia de su estudio, 
es por eso que en este trabajo se decidióhacer una investigación y realizar el 
monitoreo de un modelo matemático propuesto por el doctor Sigur Skogestad [1] 
en su libro Multivariable Feedback Control. 
 
Uno de los procesos en donde más se utilizan las torres de destilación es en el de 
la destilación fraccionada del aire en donde una mezcla gaseosa se licua mediante 
la disminución de la temperatura y el aumento de la presión. 
 
Este proceso ha sufrido diversos cambios a lo largo del tiempo [2], la figura 1.1.2 
muestra el diagrama en 1895, también llamado laminación isoentálpica o proceso 
de regeneración simple, fue puesto en práctica por el profesor Karl von Linden en 
Múnich, el proceso consistía en un ciclo de cuatro etapas. Primeramente se 
efectúa una compresión isoterma, seguida de un enfriamiento y de una 
laminación, a través de una válvula hasta una presión pD, obteniéndose una 
fracción líquida y otra fracción vapor. De las cuales la fracción líquida se separa 
del sistema mientras que el vapor sirve para enfriar el aire comprimido en el 
intercambiador de calor. El diagrama TS que se muestra en la figura 1.1.3, 
muestra el comportamiento de la temperatura del aire conforme aumenta la 
entropía del mismo. 
9 
 
 
Figura 1.1.2: Proceso de la Laminación Isontálpica en 1985 
 
Figura 1.1.3: Diagrama TS del Proceso de Laminación Isoentálpica 
 
 
10 
 
Tiempo después, en 1902, el profesor George Claude de la universidad de París, 
consideró y puso en práctica la idea de expandir el aire frio en una máquina 
térmica, en la que se recupera trabajo y se consigue mayor generación de frío. 
Este proceso es conocido como expansión isoentrópica y se muestra en la figura 
1.1.4, donde efectivamente la evolución del aire en el expansor es mucho más 
vertical que en la laminación en una válvula y se consigue mayor proporción del 
aire líquido en igualdad de circunstancias, esto se puede visualizar en el diagrama 
TS de la figura 1.1.5. 
 
Figura 1.1.4: Diagrama de Proceso de la Expansión Isoentrópica 
La mejora de la eficacia energética de las plantas industriales fue paulatina, pero 
tiempo después surgieron problemas inesperados debido a la excesiva erosión en 
las máquinas expansoras, ocasionada por las gotas de aire líquido condensado en 
su interior. La solución a estos problemas fue la combinación de los dos procesos 
anteriores, dando así origen al proceso mixto de Linde-Claude, el cual aprovecha 
las ventajas principales de cada proceso, como son la válvula de laminación y la 
máquina expansora. La fase líquida se separa por laminación, pero el proceso 
expansor genera frío, como se puede observar en la figura 1.1.6. 
 
11 
 
 
Figura 1.1.5: Diagrama TS de la Expansión Isoentrópica 
 
 
Figura 1.1.6: Proceso mixto de Linde-Claude 
12 
 
 
Figura 1.1.7: Diagrama TS del Proceso mixto de Linde-Claude 
1.2 Productos y subproductos 
Como se mencionó anteriormente los productos que se obtienen de la destilación 
fraccionada del aire son el nitrógeno, oxígeno y argón en fase tanto gaseosa como 
líquida en el grado industrial. 
 
1.2.1 Oxígeno 
A continuación se presenta una breve reseña histórica del oxígeno, así como su 
descripción y sus características físico-químicas más importantes para el proceso 
de separación de oxígeno y nitrógeno. 
1.2.1.1 Breve Reseña Histórica 
 
Hace más de un siglo que el oxígeno se utiliza para cualquier proceso industrial. 
Aunque utilizado con frecuencia en procesos de laboratorio, el oxígeno no era 
rentable para la producción a gran escala. En 1895, Carl von Linde perfeccionó un 
nuevo proceso para la producción de grandes cantidades de oxígeno, el cual 
consiste en tres pasos. Primero el extremo de refrigeración del aire hasta que se 
13 
 
convierte en líquido, la purificación del aire licuado, después la separación de los 
diversos componentes del líquido mediante los puntos de ebullición de cada gas. 
Al controlar la temperatura y la presión, los gases pueden ser separados. 
1.2.1.2 Descripción 
El oxígeno es un gas incoloro, insípido y poco soluble en agua. Constituye 
aproximadamente el 21% del aire atmosférico y se obtiene industrialmente por 
destilación fraccionada del aire líquido. El oxígeno puede suministrarse tanto en 
estado gaseoso a alta presión, como en estado líquido (oxígeno líquido) a baja 
temperatura. Este gas licúa a –183 ºC a 1 atm. de presión y 1 litro de oxígeno 
líquido genera 850 litros de gas a 15 ºC. y 1 atm. No es un gas inflamable, pero es 
comburente (puede acelerar rápidamente la combustión). 
1.2.1.3 Propiedades físico químicas 
La tabla mostrada a continuación presenta las principales propiedades 
fisicoquímicas del oxígeno, las cuales son importantes considerar para el proceso 
de separación del aire. 
Tabla 1.2.1: Propiedades fisicoquímicas del Oxígeno 
Formula Química O2 
Peso Molecular 31.999 g/mol 
Temperatura de 
Ebullición (1 atm) 
-182.97 °C 
Temperatura Crítica -118.57 °C 
Presión Crítica 50.43 bar 
Densidad Gas 
(15°C, 1 atm) 
1.342 g/l 
Densidad Líquido 
(p.e., 1 atm) 
1.141 g/l 
Peso Específico 
(aire=1) 
1.105 
Solubilidad en agua 
(0°C, 1 atm) 
4.89 cm3 
O2/100cm
3 H2O 
Calor latente de 
Vaporización 
50.79 cal/g 
1.2.2 Nitrógeno 
 
A continuación se presenta una breve reseña histórica del nitrógeno, así como 
su descripción y sus características físico-químicas más importantes para el 
proceso de separación de oxígeno y nitrógeno. 
14 
 
1.2.2.1 Breve Reseña Histórica 
Fue descubierto, aislado y estudiado por Daniel Rutherford en 1772 estudiando la 
respiración. Scheele y Lavoisier demostraron su existencia libre en el aire y la 
proporción en volumen en que se encuentra en este, mezclado con el oxígeno 4/5 
partes. Primeramente fue llamado ázoe en griego significa sin vida, más tarde fue 
llamado nitrógeno del latín nitrum recordando que este es componente esencial 
del salitre o nitro. 
1.2.2.2 Descripción 
El nitrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido. Es inerte en estado molecular 
excepto en condiciones drásticas. 
No es combustible ni mantiene la combustión. Es un gas poco soluble en agua, se 
halla en la atmósfera en una proporción del 78%. No es un gas tóxico, pero puede 
producir asfixia por falta de oxígeno y desplazamiento del aire. Se obtiene 
industrialmente por destilación fraccionada del aire líquido. 
 
1.2.2.3 Propiedades físico químicas 
La tabla mostrada a continuación presenta las principales propiedades 
fisicoquímicas del oxígeno, las cuales son importantes considerar para el proceso 
de separación del aire. 
 
Tabla 1.2.2: Propiedades fisicoquímicas del Nitrógeno 
Formula Química N2 
Peso Molecular 28.013 g/mol 
Temperatura de 
Ebullición (1 atm) 
-195.8 
Temperatura Crítica -146.9 
Presión Crítica 33.9 bar 
Densidad Gas 
(15°C, 1 atm) 
1.161 g/l 
Densidad Líquido 
(p.e., 1 atm) 
0.808 g/l 
Peso Específico 
(aire=1) 
0.967 
Solubilidad en agua 
(0°C, 1 atm) 
2.33 cm3 
N2/100cm
3 H2O 
Calor latente de 
Vaporización 
47.44 cal/g 
15 
 
 
1.2.4 Normatividad 
Las especificaciones requeridas por el mercado se encuentran reguladas por las 
normas: 
 NMX-K-361-NORMEX-2004 “OXIGENO MEDICINAL PARA CONSUMO 
HUMANO ( GAS A ALTA PRESION Y LIQUIDO CRIOGENICO ) EN 
ENVASES.- ESPECIFICACIONES REQUISITOS DEL PRODUCTO 
ENVASADO.- METODOS DE ENSAYO ( PRUEBA ), ANALISIS DE 
LABORATORIO Y CRITERIOS DE ACEPTACION”. 
 NMX-K-387-1972 “CARACTERISTICAS QUE DEBE CUMPLIR EL 
NITROGENO EN ESTADO LIQUIDO O GASEOSO QUE ES EMPLEADO 
PARA LA FORMACION DE CAMARAS INERTES EN REACTORES DE 
PRODUCTOS QUIMICOS, BOMBILLAS ELECTRICAS Y OTROS USOS 
INDUSTRIALES”. 
 NMX-K-388-1972 “CARACTERISTICAS QUE DEBE CUMPLIR EL ARGON 
PARA SER EMPLEADO PRINCIPALMENTE EN USOS INDUSTRIALES, 
PARA FORMAR CAMARAS INERTES EN REACTORES DE PRODUCTOS 
QUIMICOS, BOMBILLAS ELECTRICAS, COMO INHIBIDOR DE 
OXIDACIONES, ETC.”. 
 NMX-K-389-1972 “METODO DE PRUEBA PARA LA DETERMINACION 
DEL CONTENIDO DE LA HUMEDADEN OXIGENO, NITROGENO Y 
ARGON”. 
 NMX-K-390-1972 “METODO DE PRUEBA PARA LA DETERMINACION DE 
HIDROCARBUROS EN OXIGENO NITROGENO Y ARGON”. 
 En cuanto a los gases nobles obtenidos del proceso, se pueden considerar 
una cantidad despreciable debido al bajo porcentaje que presenta cada uno 
de ellos. 
1.3 Usos y aplicaciones 
Como ya se ha mencionado, estos gases forman parte importante del buen 
desarrollo de diversos procesos industriales. Dentro del mercado estos gases 
tienen cada vez más aplicaciones y es muy importante la eficaz obtención de los 
mismos. 
 Oxigeno 
 Nitrógeno 
 Argón 
16 
 
1.3.1 Aplicaciones del oxígeno 
El oxígeno es uno de los productos de mayor uso industrial, en donde su principal 
uso es que se emplea como un agente fuertemente oxidante. 
 
1.3.1.1 Fabricación de acero 
El horno de oxigeno básico es el proceso de fabricación de acero más 
reciente y más rápido Típicamente se carga en un recipiente 200 toneladas 
de hierro fundido de primera fusión y 90 toneladas de chatarra entonces se 
sopla oxígeno puro durante 20 minutos a través de una lanza enfriada por 
agua a una presión de aproximadamente 1250kPa(180 psi). A través de 
una tolva se alimentación se agregan productos fundentes, como la cal. 
La vigorosa agitación del oxígeno refina el metal fundido mediante un 
proceso de oxidación en el cual se produce óxido de hierro. El óxido 
entonces reacciona con el carbono en el metal fundido, produciendo 
monóxido y dióxido de carbono. La lanza es retraída y el horno es vaciado 
inclinándolo para el metal fundido. La escoria es eliminada inclinando el 
horno en dirección opuesta. 
 
1.3.1.2 Oxicorte 
 
El oxicorte, o corte con llama, es un procedimiento de gran aplicación en 
numerosos campos de la industria. La operación puede realizarse a mano, 
con la ayuda de un sencillo soplete cortador, o sirviéndose de máquinas de 
oxicorte automáticas. Este procedimiento se basa en la gran capacidad de 
oxidación de los productos férricos y en lo fácil que resulta la eliminación de 
los óxidos formados. Una pieza de hierro, o de acero, expuesta a la acción 
del aire, experimenta una oxidación progresiva. La oxidación, o 
combinación del metal con el oxígeno del aire, va transformando, 
gradualmente, el producto inicial en óxido de hierro. A la temperatura 
ambiente esta reacción es muy lenta, pero si se calienta la pieza y se 
expone al aire, se observa una oxidación mucho más profunda y casi 
instantáneamente. 
 
17 
 
1.3.1.3 Soldadura 
En los procesos de soldadura es muy común utilizar el oxígeno como 
agente oxidante para múltiples aplicaciones de soldadura como. 
 Soldadura autógena: Los gases combustibles se queman con oxígeno, lo 
que permite tener temperaturas de combustión considerablemente 
mayores. La soldadura autógena es el proceso más común de soldadura a 
gas. El oxígeno y el acetileno, combinados es una cámara de mezclado, 
arden en la boquilla del soplete produciendo la temperatura de llama más 
elevada. Las desventajas de la soldadura con gas combustible giran en el 
torno al hecho de que ciertos metales reaccionan desfavorablemente, y 
hasta violentamente, en presencia del carbono, el hidrógeno o el oxígeno, 
todos ellos presentes en el proceso de soldadura con gas combustible. 
 Soldadura oxiacetilénica: La soldadura con gas combustible, o soldadura a 
la llama, fue el proceso de soldadura moderna que se desarrolló en 
segundo lugar. En este proceso, se funden las piezas de trabajo con el 
calor de una llama, sin electricidad, la llama se produce por la combustión 
de un gas combustible con aire u oxígeno. 
 
1.3.1.4 Oxigeno terapia 
Se define como oxigeno terapia a la administración de con fines 
terapéuticos. 
Su principal objetivo es proporcionar suficiente a los tejidos de tal manera 
que puedan realizar su metabolismo normal de tal manera que el se 
administra con el objetivo de combatir la hipoxia. 
Podemos definir la hipoxia como un estado en el que no existe una adecuado 
suministro de oxígeno al cuerpo la cifra más baja tolerada por las neuronas 
cerebrales es de 36 mmHg de (presión parcial en oxigeno de un medio 
liquido) mientras que su valor normal de 100mmHg. 
1.3.2 Aplicaciones del nitrógeno 
De este elemento se aprovecha su nula reactividad y sus propiedades inertes. 
Algunas de sus principales aplicaciones se muestran a continuación. 
 
 
18 
 
1.3.2.1 Petróleo y gas 
El nitrógeno se utiliza en gran cantidad de veces para la inertización de 
tanques de almacenamiento, los sistemas de compresores, las tuberías y los 
reactores se purgan con nitrógeno para evitar el riesgo de explosiones. 
También tiene una amplia utilización durante las perforaciones de petróleo y 
gas. 
1.3.2.2 Componentes electrónicos 
El nitrógeno se emplea en la soldadura sin plomo de las placas de circuitos 
impresos y componentes muy pequeños para evitar la oxidación. Ya que la 
inertización con nitrógeno mejora la integridad de las uniones. 
1.3.2.3 Envasado de alimentos y bebidas 
Gracias a sus propiedades inertes, incoloras e inodoras se emplea para 
desplazar o sustituir el aire y reducir así el riesgo de que se deterioren las 
propiedades de los productos finales. 
En los jugos de frutas por ejemplo la oxidación de la vitamina C es una parte 
vital del proceso por este motivo se pasa nitrógeno a través del jugo para 
extraer las burbujas que transportan el oxígeno a través del jugo y además se 
utiliza nitrógeno en los depósitos, recipientes, tubos y botellas para evitar que 
se produzca la oxidación. 
 
1.3.2.4 Prevención de incendios 
Para que se pueda iniciar fuego es necesario que exista un material inflamable 
además de una fuente de ignición y oxígeno. Si se sustituye el oxígeno por 
nitrógeno se reduce el riego de un incendio o explosión. 
La concentración máxima de oxigeno (CMO) es aquella a la que una sustancia 
ya no puede arder. Reduciendo la concentración de oxigeno por debajo de 
CMO se evitan explosiones y fuego. 
Composición y pureza 
Algunos productores de nitrógeno muestran tablas donde indican la pureza y 
concentración de sus productos. 
19 
 
Por ejemplo la tabla 1.3.1 muestra la concentración y pureza del nitrógeno que 
produce Praxair una conocida empresa dedicada a la producción de gases 
industriales. 
Tabla 1.3.1: Concentración y pureza del nitrógeno 
NOMBRE DEL PRODUCTO CONCENTRACIÓN 
 Gas nitrógeno (N2) comprimido 
Alta pureza > 99,998% 
Baja pureza > 90% 
Nitrógeno (N2) líquido refrigerado > 99,998% 
Mezcla de gas Nitrógeno y Argón 1 ppm – 99,99% 
Mezcla de gas Nitrógeno y Helio 1 ppm – 99,99% 
Mezcla de gas Nitrógeno e Hidrógeno 1 ppm – 99,99% 
Mezcla de gas Nitrógeno y Oxígeno 1 ppm – 99,99% 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo II 
Proceso Interno 
en la Torre de 
Destilación 
21 
 
2.1 Torres de destilación 
 
Definición 
Se define como torre de destilación a una estructura cerrada en la cual se realiza 
la separación física de un fluido en dos o más fracciones. Esta separación se logra 
sometiendo el fluido a condiciones de presión y temperatura apropiadas a lo largo 
de la columna, de modo de lograr que las fracciones que se buscan separar se 
encuentren en dos estados diferentes. La fracción más pesada (en estado líquido) 
baja por gravedad, mientras que la más liviana (en estado gaseoso) sube y se 
condensa en las partes superiores. 
 
Componentes básicos de una torre de destilación 
En la figura 2.1.1 se observan los principales componentes de una torre de 
destilación, los cuales son: 
 Platos: sección en donde se realiza el destilado. 
 Rehervidor o reboiler: vaporiza el producto del fondo. 
 Condensador: enfría y condensa el vapor que sale por la parte superior de 
la torre. 
 Tambor de reflujo: que recibe el condensado del tope de la torre para que 
pueda recircularse el fluido en la torre. 
.Figura 2.1.1: Principales Componentes de una Torre de Destilación 
 
22 
 
Estructura de platos 
En su funcionamiento, el líquido desciende de manera zigzagueante debido al 
acomodo de los bajantes de los platos (figura 2.2.1), mientras que el vapor 
asciende debido a la diferencia de presiones que existe entre plato y plato, el 
vapor pasa por los ductos que hay entre cada plato y entra en contacto con el 
líquido que circula por ese mismo plato, estos ductos pueden ser simples 
aberturas o estructuras movibles diseñadas para impedir el paso del líquido, si el 
mezclado del vapor y el líquido en los platos fuera suficiente para alcanzar el 
equilibrio entre las corrientes de vapor y líquido que salen del plato, entonces el 
plato hace la función de una destilación simple. 
 
Figura 2.1.2: Comportamiento del vapor y el líquido en una torre de 
destilación 
 
Estructura de Empaques 
Una zona de empaque, está compuesta por un agregado de pequeños elementos 
de empaque que pueden ser metálicos, cerámicos o plásticos y que se acumulan 
en una región de la torre donde cumplen la función de maximizar el contacto entre 
el líquido que baja y el gas que sube. Las zonas empacadas se usan 
preferentemente en procesos de destilación al vacío donde se requieren bajas 
diferencias de presión. Esta acumulación de las pequeñas estructuras en la zona 
23 
 
de empaque puede ser ordenada o desordenada dependiendo de la función que 
deba cumplir. 
 
2.2 Usos y aplicaciones 
Algunas aplicaciones de las torres de destilación se describen brevemente a 
continuación. 
2.2.1 Aplicación en la industria petrolera 
Para destilar el petróleo se utilizan las conocidas refinerías. Estas son enormes 
complejos donde se somete al petróleo crudo a procesos de separación en los 
cuales se extrae gran variedad de sus derivados. [3] 
Las torres de destilación industrial para petróleo poseen alrededor de 100 platos. 
Dentro del petróleo existen varios compuestos de los cuales se obtienen alrededor 
de 2.000 productos. 
La destilación fraccionada se realiza principalmente basándose en temperatura 
ebullición. Cada sustancia dentro del petróleo se destila a distinta temperatura. 
Entonces, a partir de una temperatura fija se obtiene una sustancia 
predeterminada. Las refinerías están compuestas por altas torres que contienen 
varios platos en los cuales se lleva a cabo el contacto entre la fase líquida y vapor. 
El vapor es generado por medio de calentamiento del líquido de fondos que se 
compone básicamente de la sustancia menos volátil del sistema y por tanto está a 
la mayor temperatura de la torre, mientras que el líquido que va descendiendo a 
través de la torre desde el primer plato, el cual es más rico en el componente más 
volátil y está con la menor temperatura de la torre, es obtenido del condensado del 
vapor más ligero. La alimentación de la torre puede consistir desde líquido 
subenfriado hasta vapor sobrecalentado, lo cual modifica el número de platos 
necesarios para la separación deseada. 
 
2.2.2 Aplicación en la industria cervecera 
 
El proceso de Elaboración de Cerveza consta de tres etapas claramente definidas, 
que son Cocimiento, Fermentación y Reposo las cuales dependen exclusivamente 
del tipo de cerveza que se piensa elaborar. 
 
Luego pasa por el proceso de destilación y deshidratación: El mosto se destila en 
dos etapas. En ambas se utiliza además de vapor el calor residual de otras zonas. 
El número recomendado de platos para la separación agua etanol es de 
60 platos separados distancias que van desde los 600 mm a los 500 mm. 
Los flujos de salida que se tienen son: 
 
24 
 
 Cerveza con un grado alcohólico entorna al 25%, parte de este flujo se 
recirculará y se condensará para provocar una lluvia en la torre de 
destilación. 
 Vinazos que irán al proceso de secado y evaporación. 
 Parte del condensado que tenemos en la parte baja de la torre pasará a 
través de un hervidor que lo convertirá en gas por medio de un aporte de 
vapor de agua. 
 La columna destrozadora cuenta con 16 platos separados a 500 mm. A 
esta columna llega el flujo de cerveza proveniente de la columna de 
destilación. 
 Cerveza con un grado alcohólico entorno al 45%, parte de este flujo se 
recirculará y se condensará para provocar una lluvia en la columna 
destrozadora. 
 Vinazas que irán al proceso de secado y evaporación. 
 Parte del condensado que tenemos en la parte baja de la torre pasará a 
través de un hervidor 
. 
2.3 Materiales 
 
El número de platos que debe tener esta torre de destilación son 12, dichos platos 
fueron calculados por el método de McCabe-Thiele (los cálculos se muestran en el 
siguiente capítulo), así mismo se dedujo que la torre debe de ser de 10 metros. 
Estos resultados quedan deducidos en los cálculos realizados para el capítulo 3, 
en el cual se explica paso a paso el método de McCabe-Thiele y además los 
cálculos realizados para determinar la altura de la torre y la separación entre cada 
plato. 
2.4 Instrumentación en las torres de destilación 
En la figura 2.4.3 se muestra el diagrama de tuberia e instrumentación donde se 
señalan los equipos necesarios para poder llevar acabo el monitoreo de la 
composicion de la torre de destilación.para la obtención de nitrogeno y oxígeno. 
Las variables mas significativas que tenemos en la torre son temperatuta, presión 
y concentracion de por lo tanto vamos a dimensionar los instrumentos 
necesarios para medir estas variables y la tuberia para el transporte de los 
productos. Dichas variables son: 
 Composicion 
 Presion 
25 
 
 Temperatura 
2.4.1 Instrumentación de la Variable Composición 
La variable principal del procesos de la destilación es la composición que es una 
variable analitica que se define como las sustancias que estan presentes en una 
mezcla y sus cantidades, en este caso en particular para poder determinar la 
composición del N2 en el destilado y en los residuos es por medio de un 
instrumento llamdo cromatografo de gases. 
El cromatografo toma la muestra del gas que hay que analizar de la corriente de 
procesos mediante una sonda de muestreo instalada en la línea de proceso. La 
muestra pasa a traves de una línea de muestreo hacia el sistema de 
acondicionamiento de muestra donde es filtrada o acondicionada de otra forma. 
Despues del acondicionamiento, la muestra fluye hacia el conjunto del analizador 
para la separación y la detección del componente. 
La separación de la muestra se logra de la manera siguiente. Se inyecta un 
volumen preciso de la muestra de gas en una de las columnas analíticas. La 
columna contiene una fase estacionaria que es un soporte de sólido activo o de 
sólido inerte recubierto con una fase líquida (división por absorción). La muestra 
de gas se desplaza a travéz de la columna por medio de una fase movil (gas 
portador). En la columna tiene lugar el retardo selectivo de los componentes de la 
muestra, el cual hace que cada componente se mueva a través de la columna a 
una velocidad diferente. Esta sección separa la muestra en sus gases y vapores 
constituyentes. 
Un detector ubicado en la salida de la columna analítica detecta la elución de los 
componentes de la columna y produce salidas electricas proporcionales a la 
concentración de cada componente. 
Y la salida se muestra comunmente en una PC o impresora. El proceso se puede 
observa de manera general en la figura 2.4.1. 
26 
 
 
Figura 2.4.1: Funcionamiento general de un cromatógrafo [3] 
Existen diferentes tipos de detectores para en los cromatografos para el caso del 
nitrogeno se hace mediante el detector de conductividad termica o TCD. 
El TCD consiste en una red de puente balanceado con termisores sencibles al 
calor en cada rama del puente. Cada termisor esta alojado en una camara 
separada del bloque detector. 
Un termisor sirve como elemento de referencia y el otro termisor está destinado a 
funcionar como elemento demedición como se muestra en la figura (2.4.2). 
27 
 
 
Figura 2.4.2: Funcionamiento del termistor [3] 
 
Teniedo en cuenta nuestro analizador sera el cromatografo de gases 700XA de la 
marca emerson ya que nos permite tomar las mediciones de hasta 7 muestras y 
una de referencia y se pueden comunicar los datos obtenidos por medio de 
comunicación ethernet o modbus a el sistema de control distribuido.freenlance 
800F. 
2.4.2 Instrumentación de la Variable Presión 
Una variable importante para lograr la separación es la presión por lo tanto se 
tiene que medir, para esta accion se proponen estos instrumentos con base en los 
parametros de operación [4]. 
 Presión de trabajo 6.5 Atm. 
 Temperaruta de operación -200°C. 
 Protocolo de comunicación Profibus. 
 Conexión roscada. 
El instrumento de presion operan a una presión de promedio de 6.5 Atm, resisten 
una temperatura promedio de -200°C, deben de comunicarse por un protocolo de 
28 
 
comunicación de preferencia profibus o modbus y debe tener una conexión 
roscada. 
 
Tabla 2.4.1: Especificaciones del instrumento [5] 
Instrumento Condiciones de 
Operación 
Propuesta MARCA Consideraciones 
PIT-100ª Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
Profibus. 
Conexión roscada. 
 
PMC71 ENDRESS 
+HAUSER 
Encargo especial 
al proveedor 
debido a las bajas 
temperaturas. 
PI-100B Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
Profibus. 
Conexión roscada. 
 
PMC71 ENDRESS 
+HAUSER 
Encargo especial 
al proveedor 
debido a las bajas 
temperaturas. 
 
2.4.3 Instrumentación de la VariableTemperatura 
Es necesario controlarla la temperatura de los productos por lo tanto se tiene que 
medirla y se proponen los siguientes instrumentos de acuerdo a los parametros de 
operación y las caracteristicas necesarias para poder comunicarse con el sistema 
de control distribuido: 
 Presión de trabajo 6.5 Atm. 
 Temperaruta de operación -200°C. 
 Protocolo de comunicación Profibus o Modbus. 
 Conexión roscada. 
El instrumento de presion va operar a una presión de promedio de 6.5 Atm, debe 
resistir una temperatura promedio de -200°C, debe de comunicarse por un 
29 
 
protocolo de comunicación de preferencia hart o modbus y debe tener una 
conexión roscada. 
El tipo de termopar tipo N debe de considerarse para temperaturas desde -260°C, 
el termopozo se considera por que sirve como protección del termopar y ya que 
hace mas facil el mantenimiento y el transmisor cuenta con un display y debe de 
ser capaz de transmitir información en protocolo hart o modbus y realizar 
diagnosticos del instrumento. 
Tabla 2.4.2: Especificaciones del instrumento [5] 
Instrumento Condiciones de 
Operación 
Propuesta MARCA Consideraciones 
TE-100ª Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
Profibus. 
Conexión roscada. 
 
Termopar 
tipo N. 
- Para 
temperaturas 
desde-260°C. 
TE-100B Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
Profibus. 
Conexión roscada. 
 
Termopar 
tipo N. 
- Para 
temperaturas 
desde-260°C. 
TE-100C Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
Profibus. 
Conexión roscada. 
 
Termopar 
tipo N. 
- Para 
temperaturas 
desde-260°C. 
TW-100ª Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
TW251 ENDRESS 
+HAUSER 
 
30 
 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Conexión roscada 
Longitud de 
inmersión 12” 
Conexión de ½” 
NPT 
TW-100B Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Conexión roscada 
Longitud de 
inmersión 12” 
Conexión de ½” 
NPT 
TW251 ENDRESS 
+HAUSER 
 
TW-100C Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Conexión roscada 
Longitud de 
inmersión 12” 
Conexión de ½” 
NPT 
TW251 ENDRESS 
+HAUSER 
 
TIT-100ª Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
HART. 
Conexión roscada. 
½” NPT 
TMT142 ENDRESS 
+HAUSER 
Montado sobre el 
proceso. 
Cable gland NPT 
1/2" D4-8.5, IP6. 
TIT-100B Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
HART. 
Conexión roscada. 
TMT142 ENDRESS 
+HAUSER 
Montado sobre el 
proceso. 
Cable gland NPT 
1/2" D4-8.5, IP6. 
31 
 
½” NPT 
TIT-100C Presión de 
operación: 6.5 atm o 
96 psi. 
Temperaruta de 
operación -200°C. 
Protocolo de 
comunicación 
HART. 
Conexión roscada. 
½” NPT 
TMT142 ENDRESS 
+HAUSER 
Montado sobre el 
proceso. 
Cable gland NPT 
1/2" D4-8.5, IP6. 
 
 
Instrumentos en HMI 
Los siguientes instrumentos se encuentran configurados en la HMI del software 
Digivis de la plataforma de control distribuido freelance. 
Tabla 2.4.3: Ubicación de los dispositivos [5] 
Dispositivo Ubicación 
PI-100ª Dentro del SCD en la HMI 
PC-100ª Dentro del SCD en la HMI 
PAH-100A Dentro del SCD en la HMI 
PAL-100A Dentro del SCD en la HMI 
TI-100ª Dentro del SCD en la HMI 
TC-100ª Dentro del SCD en la HMI 
TAH-100A Dentro del SCD en la HMI 
TAL-100A Dentro del SCD en la HMI 
TI-100B Dentro del SCD en la HMI 
TC-100B Dentro del SCD en la HMI 
TAH-100B Dentro del SCD en la HMI 
TAL-100B Dentro del SCD en la HMI 
TI-100C Dentro del SCD en la HMI 
TC-100C Dentro del SCD en la HMI 
TAH-100C Dentro del SCD en la HMI 
TAL-100C Dentro del SCD en la HMI 
AI-100ª Dentro del SCD en la HMI 
AI-100B Dentro del SCD en la HMI 
AAH-100A Dentro del SCD en la HMI 
AAL-100A Dentro del SCD en la HMI 
AAH-100B Dentro del SCD en la HMI 
AAL-100B Dentro del SCD en la HMI 
PI-100B Dentro del SCD en la HMI 
32 
 
PC-100B Dentro del SCD en la HMI 
PAH-100B Dentro del SCD en la HMI 
PAL-100B Dentro del SCD en la HMI 
 
2.4.4 Tubería 
La tubería es de acero inoxidable debido a que los productos tiene un gran 
contenido de oxígeno y esto hace que se oxide la tubería, la tubería trabaja a una 
temperatura promedio de -200°C por lo tanto el material debe de ser capaz de 
resistir cambios drásticos de temperatura por lo tanto la tubería debe de ser de 
acero inoxidable austenitico 336L y para evitar la transferencia de energía de la 
tubería con el medio ambiente se recubrirá con un aislante térmico Prorox GR 903 
para plantas criogénicas. 
Diagrama de tubería e instrumentación. 
La instrumentación es de suma importancia, ya que es la que permite tener un 
mayor control del proceso, además de poder visualizar en cada etapa los datos 
necesarios. Por su parte el diagrama de tuberías e instrumentación otorga una 
mejor visualización de los instrumentos utilizados en campo, así como el tipo de 
señales que manejan. 
 
33 
 
 
Figura 2.4.3: Diagrama de Tuberías e Instrumentación de la Torre de 
Destilación 
34 
 
 
La instrumentación es de suma importancia, ya que es la que permite tener un 
mayor control del proceso, además de poder visualizar en cada etapa los datos 
necesarios. Por su parte el diagrama de tuberías e instrumentación es aquel que 
otorga una mejor visualización de los instrumentos utilizados en campo, así como 
el tipo de señal que manejan, es por esto que se debe contar con uno en cada 
parte del proceso, y uno para el proceso completo, puesto que facilita la 
comprensión del mismo. 
Por otro lado, se puede realizar un cambio o una mejora basándose en el 
diagrama de tubería e instrumentación, esto debido a la constante actualización en 
la tecnología utilizada en los instrumentos. De aquí la importancia de manejar el 
diagrama de tubería e instrumentación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo III 
Modelado de la 
torre 
 
36 
 
3.1 Proceso de separación vapor-líquido del aire. 
Gran parte de materiales de proceso químicos así como algunas sustanciasbiológicas se presentan como mezclas de distintos componentes ya sea en forma 
gaseosa, líquida o sólida. Debido a esto para poder separar uno o más 
componentes de la mezcla debe de ponerse en contacto con otra fase. 
Las dos fases deben de tener un gran contacto más o menos íntimo de tal manera 
que el soluto o los solutos puedan difundirse unos con otros. Por lo general las dos 
fases consideradas son parcialmente miscibles entre sí. El par de fases puede ser 
gas-líquido, gas-sólido, líquido- líquido o líquido-sólido. Durante el contacto los 
componentes de la mezcla original se redistribuyen entre ambas fases más tarde 
las fases separan por algún método físico simple. 
Seleccionando las condiciones y fases apropiadas, una fase se enriquece 
mientras que la otra se empobrece de uno o de más componentes. 
3.2 Regla de fases y equilibrio. 
Para poder predecir la concentración de un soluto en las dos fases en equilibrio, 
debe de disponerse de datos de equilibrio experimentales. Además si las dos 
fases no están en equilibrio, la velocidad de transferencia de masa es proporcional 
a la fuerza impulsora, que es la desviación con respecto al equilibrio. Las variables 
importantes que afectan el equilibrio de un soluto son temperatura, presión y 
concentración. 
El equilibrio entre dos fases en cualquier caso esta dictado por la regla de 
las fases que se muestra en la ecuación 3.1: 
 3.1: 
 
 
Dónde: 
P es número de fases de equilibrio, 
C es el número de componentes totales en las dos fases (cuando no se realizan 
reacciones químicas). 
F es el número de variantes o de grados de libertad. 
3.3 La ley de Raoult 
Para los sistemas de vapor líquido podemos definir la ley de Raoult, que establece 
que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución 
ideal es dependiente de la presión de cada vapor individual y de la fracción molar 
de cada componente de la solución; además es una ley ideal y puede definirse 
37 
 
para fases vapor-líquido en equilibrio la cual da la presión parcial del sistema, tal 
como se muestra en la ecuación 3.2. 
 
 3.2: 
 
 
Dónde: 
 = Es la presión parcial del componente A ( ) en el vapor en Pa (Atm). 
 = Es la presión de vapor de A ( ) puro en Pa (Atm). 
 = Es la fracción mol de A ( ) en el líquido. 
Las presiones de vapor puro de la solución solo pueden obtenerse de manera 
experimental o consultando tablas del aire a dicha presión. 
3.4 Diagrama de puntos de ebullición. 
De manera muy común las relaciones de equilibrio de vapor-líquido de una mezcla 
binaria A y B se expresan en forma de un diagrama de puntos de ebullición, en el 
que para este sistema y el diagrama se muestra en la Figura 3.1 a una 
presión total de 6.5 atm., dónde a línea superior es la del vapor saturado (línea del 
punto de roció) y la línea inferior es la línea de líquido saturado (línea de punto de 
burbuja). 
El sistema y obedece la ley de Raoult, por lo que el diagrama de puntos de 
ebullición puede determinarse a partir de los datos de presión de vapor puro, junto 
con las ecuaciones 3.3, 3.4 y 3.5. 
 
 3.3: 
 
 
 ( ) 3.4: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.5: 
 
 
 
 
38 
 
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
94
96
98
100
102
104
106
108
110
94
96
98
100
102
104
106
108
110
xA
 
 
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (K
)
Composicion molar (%)
 Linea de vapor saturado
 Linea del liquido saturado
Presion=6,5 atm
yA
 
Figura 3.4.1: Diagrama de puntos de ebullición. 
 
 
Otra forma muy común de representar los datos de equilibrio es mediante un 
diagrama de equilibrio que consiste en graficar la curva en función de de los 
datos arrojados de la Figura 3.2.1 para el sistema nitrógeno oxígeno. 
39 
 
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
 
 
Fr
ac
ci
on
 m
ol
 d
e 
ni
tro
ge
no
 e
n 
el
 v
ap
or
 y
A
Fraccion mol de nitrogeno en el liquido xA
 Diagrama de equilibrio
Linea de 45°
 
Figura 3.4.2: Diagrama de equilibrio para el sistema N2 y O2 
3.5 Contacto de equilibrio de una sola etapa. 
Cuando se considera un sistema vapor líquido, siendo la corriente un vapor y la 
corriente un líquido y las dos corrientes se ponen en contacto en una sola etapa 
de equilibrio. 
 
Figura 3.5.1: Contacto de una sola etapa. 
 
40 
 
Para ello es necesario utilizar el diagrama de puntos de ebullición o diagrama de 
equilibrio xy, ya que no hay una relación de equilibrio por que únicamente se están 
considerando dos componentes A y B por lo que intervienen las ecuaciones 3.6 y 
3.7 para balance de materiales de la figura 3.3.1. 
 
 3.6: 
 
 
 3.7: 
 
 
 
La fracción de masa de A en la corriente L es y en la corriente V. 
Si los efectos del calor sensible son pequeños y los calores latentes de ambos 
compuestos son iguales, entonces, cuando se condesa 1 mol de A, se debe 
vaporizar 1 mol de B. 
De acuerdo a lo anterior el total de las moles de vapor que entran es igual al 
total de moles que salen de la misma forma las moles de .A este caso se 
le llama derrame molar constante. 
3.6 Volatilidad relativa 
Para un sistema vapor líquido es fácil poder indicar la volatilidad relativa 
basándonos en la figura 3.4.1 es decir el diagrama de equilibrio para una mezcla 
binaria, cuanto más grande sea la distancia entre la curva y la línea de 45°, mayor 
será la diferencia de la composición del vapor y la composición del líquido . 
Por tal motivo la separación se lleva acabo con mayor facilidad. 
La medida numérica de esta facilidad de separación es la relatividad numérica 
. Esta relación se puede definir como la relación de la concentración de A en el 
vapor sobre la concentración de A en el líquido, dividida entre la relación de la 
concentración de B en el vapor sobre la concentración de B en el líquido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
( )
( )
 
3.8: 
 
 
Donde es la volatilidad relativa de A con respecto a B en el sistema binario. 
Si el sistema obedece la ley de Raoult y teniendo en cuenta la ecuación 3.2 se 
tienen las ecuaciones 3.9 y 3.10. 
41 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.9: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.10: 
 
 
Y sustituyendo las ecuaciones 3.9 y 3.10 en el la ecuación 3.8 se tiene la ecuación 
3.11. 
 
 
 
 
 
3.11: 
 
 
La ecuación 3.8 puede ordenarse para obtener la ecuación 3.12. 
 
 
 
 ( ) 
 
3.12: 
 
 
Donde = . Cuando el valor de es superior a 1 .0, la separación es factible. 
El valor de puede cambiar a medida que varía la concentración. Cabe a destacar 
que para sistemas binarios que obedecen la ley de Raoult, la volatilidad relativa 
suele variar muy poco en un intervalo de concentraciones bastante amplio a 
presión total. 
3.7 Torre de destilación binaria. 
La rectificación (fraccionación) o destilación por etapas con reflujo (“Destilación 
fraccionada”) puede estudiarse como un proceso en que se llevan a cabo una 
serie de etapas de vaporización repentina de tal manera que los productos de 
vapor y líquido de cada etapa fluyen en contra corriente. 
El líquido de una etapa fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye a 
hacia arriba a una etapa superior. Por tal motivo a cada etapa entran una corriente 
de vapor V y una corriente de líquido L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio y 
de dicha etapa salen una corriente de vapor y una corriente de líquido en 
equilibrio. El diagrama de flujo se muestra en la figura 3.5.1. 
Para el contacto a contracorriente de múltiples etapas se muestra en la figura 
3.7.1. 
42 
 
 
Figura 3.7.1: Proceso de etapas múltiples en contra corriente 
Y se obtuvo la ecuación 3.13 de balance de materiales o ecuación de la línea de 
operación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.13: 
 
 
La ecuación 13 relacionalas concentraciones de las corrientes de vapor y de 
líquido que se ponen en contacto en cada etapa. En una columna de destilación a 
las etapas (a las se les llama casquetes de burbujeo) de una torre de destilación 
están distribuidas verticalmente tal como lo muestra la figura 3.5.1. 
La alimentación se introduce a la torre de la figura 3.7.2 aproximadamente en la 
zona media de la misma. Si la alimentación es líquida, fluirá hacia abajo a un 
casquete de burbujeo o etapa. El vapor entra al plato y burbujea a través del 
líquido a medida que este fluye hacia abajo. El vapor y el líquido que entran al 
plato están esencialmente en equilibrio. El vapor continúa subiendo y pasando a 
través de las etapas posteriores donde se vuelve a estar en contacto con las el 
líquido que fluye hacia abajo. 
En este caso, la concentración del componente más volátil (El componente A, de 
punto de ebullición más bajo) va aumentando en el vapor de una etapa a la 
siguiente hacia arriba y va disminuyendo en el líquido de una etapa a las siguiente 
hacia abajo. 
De esta manera el vapor que sale por la parte superior se envía a un condensador 
y se extrae una porción del producto líquido (destilado), que contiene una alta 
concentración de A. Una parte de este líquido se regresa (reflujo al plato superior). 
El líquido que sale por el plato inferior entra a un hervidor, donde se vaporiza 
parcialmente, y el líquido remanente que es pobre en A y rico en B se extrae como 
producto líquido; mientras que el vapor del hervidor se regresa a la etapa o plato 
inferior. 
43 
 
 
 
Figura 3.7.2: Flujo de proceso de torre de destilación fraccionada binaria con 
platos de burbujeo [4] 
. 
En la figura 3.7.2 solo se muestran 3 platos pero en la práctica suelen tener mayor 
cantidad de platos, cabe destacar que teóricamente en un plato el vapor y el 
líquido que salen del mismo plato se encuentran en equilibrio; además también 
podemos considerar al hervidor como una etapa o plato teórico. 
3.8 Método de McCabe–Thiele para el cálculo del número de etapas 
Teóricas. 
McCabe y Thiele han desarrollado un método matemático gráfico para determinar 
el número de platos o etapas teóricas necesario para cierta separación de una 
mezcla binaria A y B. [6] 
La principal suposición del método de McCabe-Thiele consiste en que debe haber 
un derrame equimolar a través de la torre, entre la entrada de alimentación y el 
44 
 
plato superior y la entrada de alimentación y el plato inferior. Como se muestra en 
la figura 3.8.1. 
 
Figura 3.8.1: Flujo de vapor y líquido saliendo de un plato n [6] 
Donde las corrientes de líquido y vapor entran a un plato, establecen su equilibrio 
su equilibrio y salen del mismo. Un balance de materia proporciona la ecuación 
3.14. 
 
 3.14: 
 
 
Un balance de componentes con respecto a ‘A’ se obtiene la ecuación 3.15. 
 
 3.15: 
 
 
Dónde: 
 es mol/hr de vapor del plato n+1. 
 es mol/hr de líquido del plato n. 
 es fracción mol de A en y así sucesivamente. 
Las composiciones y están en equilibrio y la temperatura del plato n es Tn. 
Si se toma como valor se puede demostrar por medio de un balance de calor, que 
las diferencias de calor sensibles de las cuatro corrientes son bastante pequeñas 
cuando los calores de disolución son despreciables. Por consiguiente, sólo son 
importantes los calores latentes en las corrientes y . 
Debido que los calores latentes para compuestos químicamente similares son casi 
iguales, y . Por consiguiente la torre tiene un derrame molar 
constante. 
45 
 
3.8.1 Ecuaciones de la torre. 
En la figura 3.8.2 se muestra una torre de destilación continua con alimentación 
que se introduce a la torre por un punto intermedio, un producto destilado que sale 
por la parte superior y un producto líquido que se obtiene por la parte inferior. La 
parte superior de la torre respecto a donde entra la alimentación se conoce como 
sección de enriquecimiento debido a que la alimentación de entrada de mezcla 
binaria de componentes A y B se enriquece en esta sección, de esta manera el 
destilado es más rico en el componente A que en la alimentación. 
 
Figura 3.8.2: secciones de torre de fraccionada con hervidor y condensador 
[6] 
Un balance general de materiales con respecto a la toda la columna en la figura 
3.8.2 establece que la alimentación de entrada de F mol/hr debe ser igual al 
destilado D en mol/hr más los fondos W en mol/hr como se muestra en la ecuación 
3.16. 
 3.16: 
 
 
 
Con un balance total de materiales con respecto al componente ‘A’ se obtiene la 
ecuación 3.17. 
 
 3.17: 
 
46 
 
 
3.8.2 Sección de enriquecimiento 
En la figura 3.8.3 se muestra la sección de la torre de destilación que está por 
encima de la alimentación, es decir la sección de enriquecimiento. El vapor que 
deja el plato superior lo hace con una composición , pasa al condensador, 
donde el líquido que se condensa está en su punto de ebullición. La corriente del 
reflujo L mol/hr y el destilado D mol/hr tienen la misma composición, por lo que 
 .Ya que se ha supuesto en derrame equimolal, y 
 
 
Figura 3.8.3: Balance de materiales en la sección de enriquecimiento. [6] 
Efectuando un balance de materia de la Figura 3.8.3 se tiene la ecuación 3.18. 
 
 3.18: 
 
Llevando acabo el balance con respecto al componente ‘A’ se tiene la ecuación 
3.19 
47 
 
 
 3.19: 
 
 
Despejando , la línea de operación de la sección de enriquecimiento resulta 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.20: 
 
 
 
Recordando que 
 
 3.21: 
 
 
Y 
 
 
 
 
 
 
 
3.22: 
 
 
 
Se obtiene la ecuación 3.23. 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.23: 
 
 
 
Donde 
 
 
 que esto es la relación de reflujo que es constante, de esta 
ecuación resulta una recta cuando se grafica la composición del vapor en función 
de la composición del líquido. Esta expresión relaciona las composiciones de dos 
corrientes en contacto. La pendiente es 
 
 
 o R(R+1). 
La intersección con la línea y=x (línea diagonal de 45°) se produce en el punto 
x= . 
La intersección de la línea de operación en X=0 es 
 
 
 . 
Las etapas teóricas se determinan empezando en y escalonando hacia el 
primer plato ; por lo tanto es la composición de vapor que pasa por el líquido 
48 
 
 , de esta manera se procede de manera similar para el resto de los platos 
teóricos que se escalonan hacia debajo de la torre en la sección de 
enriquecimiento, hasta llegar al plato de alimentación. 
3.8.3 Sección de empobrecimiento 
Para la sección de empobrecimiento que es la que se encuentra debajo de la 
entrada de alimentación llevando acabo un balance total de materiales de la 
Figura 3.8.4. 
 
Figura 3.8.4: Balance de materiales de la sección de empobrecimiento [6] 
 
 3.24: 
 
 
Haciendo el balance respecto al componente ‘A’ se obtiene la ecuación 3.25 
49 
 
 
 3.25: 
 
 
Despejando se obtiene la línea de operación de la sección de 
empobrecimiento como se muestra en la ecuación 3.26. 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.26: 
 
 
 
Tomando en cuenta que se tiene un derrame equimolar, = constante y 
= también constante. 
La ecuación 3.26 es una recta cuando se grafica en el diagrama de equilibrio con 
una pendiente 
 
 
. La intersección con la línea y=x está en el punto . La 
intersección en x=0 es 
 
 
. 
Las etapas teóricas para la sección de empobrecimiento se determinan 
empezando en , pasando a y de ahí hasta . 
3.8.4 Efecto de las condiciones de operación 
Las condiciones de la corriente de alimentación F que entran en la torre, 
determinan la relación de vapor en la sección de empobrecimiento y en la 
sección de enriquecimiento