Introducción
Las Columnas de Destilación emplean un proceso de calentamiento y enfriamiento para separar dos (o más) componentes mezclados (líquidos y/o gases) en sus estados originales o separados. En términos simples, este proceso se lleva a cabo calentando los componentes líquidos mezclados a una temperatura intermedia entre sus respectivos puntos de ebullición, evaporando así el componente con menor punto de ebullición para separarlos mediante evaporación.
Columnas de Destilación de Refinería
Historia
El proceso de Destilación es uno de los métodos de separación y purificación más antiguos y ampliamente utilizados. Sus orígenes históricos se remontan a los romanos, árabes, chinos, indios y babilonios de Mesopotamia hace más de 5000 años, con evidencias de destilación de perfumes y alcohol en tablillas acadias (aprox. 1200 a.C.), pasando por el período medieval y hasta la Revolución Industrial del siglo XIX, donde se desarrollaron aplicaciones más modernas.
Alambique de Whisky
Columna de Destilación Continua
Existen diversos diseños de columnas de destilación, como la columna de ‘lote’ y la columna ‘continua’. Una columna de lote básica es aquella donde la alimentación de entrada (componente líquido/gas) se destila completamente antes de agregar otro lote de alimentación para su procesamiento. Una columna continua tiene un flujo constante de entrada y salida que permite un rendimiento mucho mayor, y el proceso solo se detiene para mantenimiento o reparaciones.
Ambos tipos de columnas tienen aplicaciones específicas para la separación de dos o más componentes líquidos/gaseosos, e incorporan diferentes niveles de complejidad y equipos asociados para facilitar el proceso general de destilación.
¿Cuáles son las partes principales de una columna de destilación?
Una Columna de Destilación Continua típica consta de varios componentes esenciales para el proceso. Los cuatro componentes principales son:
- Columna (que incluye las secciones de enriquecimiento y despojamiento), donde ocurre la separación de fases líquido/gas.
- Rehervidor (intercambiador de calor), que proporciona la energía térmica necesaria para vaporizar parcialmente la alimentación de entrada de la columna (líquido) y permitir la separación (destilación). La alimentación de entrada fluye hacia el centro de la columna y desciende a través de la sección de despojamiento hasta la base, antes de ingresar al rehervidor donde el líquido de alimentación se calienta para generar el vapor de alimentación (mediante evaporación). Este vapor asciende a través de la columna por convección, continuando el proceso de separación de los componentes de la alimentación.
- Condensador, que enfría y condensa el vapor de alimentación separado y enriquecido en la parte superior de la columna antes de ingresar al tambor de reflujo.
- Tambor de reflujo, que recoge el vapor de alimentación condensado (como líquido) y lo divide en dos corrientes: 1. la salida del proceso de destilación (destilado), y 2. el líquido reciclado del tambor de reflujo (reflujo), que se alimenta nuevamente en la parte superior de la columna para enriquecer y purificar aún más el destilado.
Componentes Principales Generales de la Columna de Destilación
Para mejorar la eficiencia del proceso, la columna de destilación generalmente contiene una serie de placas o bandejas apiladas en su interior. Estas placas tienen perforaciones circulares y/o rellenos de metal corrugado para aumentar el área de contacto líquido/vapor y, por ende, la eficiencia del proceso de evaporación del líquido de alimentación. Este tipo de columna se denomina columna de destilación fraccionada y facilita la separación de varios componentes (líquidos o gases) en diferentes niveles dentro de la columna.
Columna de Destilación Fraccionada
Operación Básica de la Columna de Destilación y Terminología
Los componentes de alimentación que se procesarán en la columna de destilación se introducen cerca o en el centro de la columna, en una bandeja/placa central conocida como la bandeja de alimentación (placa).
Diagrama de Flujo del Proceso de la Columna de Destilación
Esta bandeja de alimentación central divide la columna en una sección superior (enriquecimiento) y una sección inferior (despojamiento). El líquido de alimentación fluye hacia la columna y a través de la bandeja/placa, luego desciende por la columna (por gravedad) hasta la siguiente bandeja/placa a través de su conducto de bajante, donde el componente de vapor del líquido de alimentación ‘componente de vapor’ se extrae a través del proceso de destilación a medida que asciende a través del líquido de alimentación. El líquido de alimentación restante desciende por la columna y se recoge en la base de la columna, luego fluye de nuevo hacia el rehervidor que vaporiza el componente más ligero en el componente de vapor del líquido de alimentación. Este vapor luego continúa el proceso de destilación a medida que asciende a la parte superior de la columna, a través de las placas de bandeja de la columna donde entra en contacto con el líquido de alimentación, extrayendo el componente más ligero (vapor) y enriqueciendo más a medida que lo hace. En la base de la columna, el producto de líquido de alimentación ‘pesado’ (no vaporizado) se elimina de la columna como el componente ‘fondos’.
Rutas de Flujo de Líquido y Vapor en la Columna de Destilación
El vapor de alimentación recalentado, que fluye de nuevo a la base de la columna desde el rehervidor, se enriquece a medida que asciende por la columna y ‘entra en contacto’ con el líquido de alimentación que cae, antes de salir de la columna en la parte superior, hacia el condensador de enfriamiento. Este líquido condensado luego entra en un recipiente de almacenamiento conocido como el tambor de reflujo.
Columna de Destilación y Tambor de Reflujo
Una proporción de este líquido del tambor de reflujo, es decir, la relación de reflujo, se recicla de nuevo en la parte superior de la columna, enriqueciendo y purificando aún más a través del contacto con el componente de vapor de alimentación que asciende a través de las placas de la columna. Finalmente, el componente de vapor de alimentación condensado que ahora se enfría en forma líquida por el sistema de condensador y tambor de reflujo, es la salida de la columna (destilado) que se recupera a través del proceso general de destilación.
Perfil de Operación de la Columna de Destilación
Existen ciertos parámetros de operación y tendencias que son comunes al proceso de la columna de destilación, y una apreciación de estos aspectos ayudará a obtener una comprensión general del proceso. En términos simples, el diseño de la columna (diámetro y altura, número de bandejas/placas, rellenos, etc.) y los parámetros de operación (temperatura, presión, etapa de entrada de líquido de alimentación, etc.) son optimizados por los diseñadores para lograr un equilibrio de vapor-líquido interno general (balance), basado en la volatilidad (puntos de ebullición) de los componentes del líquido de alimentación. Perfil de Operación de la Columna de Destilación.
Temperatura y Presión
El perfil general de temperatura dentro de la columna es que es más caliente en la parte superior y más frío en la base. Por ejemplo, en un proceso simple que tiene un líquido de alimentación con dos componentes, la temperatura en la base de la columna es ligeramente más fría que el punto de ebullición del componente de alimentación más pesado, y la temperatura en la parte superior es ligeramente más alta que el punto de ebullición del componente más ligero, ya que se desea crear un ambiente para un equilibrio de vapor-líquido dentro de la columna. En la base de la columna, requerimos que el componente de alimentación pesado permanezca como líquido y el componente más ligero permanezca como gas hasta que llegue a la parte superior de la columna, antes de entrar en el condensador y tambor de reflujo. Para controlar estas temperaturas, se ajusta la temperatura del intercambiador de calor del rehervidor para controlar la temperatura del componente de alimentación pesado en los fondos; la tasa de flujo de ‘retorno’ del tambor de reflujo (flujo de regreso a la parte superior de la columna) se utiliza para controlar la temperatura de los componentes más ligeros en la parte superior de la columna.
El gradiente de presión general de la columna es de presión ‘más alta’ en la base y ‘más baja’ en la parte superior. Este gradiente está determinado por el líquido de la etapa de alimentación (entrada) que cae a través de las placas de la bandeja de la columna e impide el flujo ascendente de vapor a través del líquido de alimentación.
En general, para un proceso de destilación en estado estacionario, el gradiente de presión de la columna se mantiene lo más constante posible, utilizando la temperatura del rehervidor y el flujo del tambor de reflujo para controlar la composición de las corrientes de componentes ligeros y pesados.