Diseño de columna de destilación

Tipos de columnas de destilación

Una columna de destilación es un contenedor vertical alto. Contiene varios peldaños o ollas por las que viaja un líquido o un gas. La función principal de la columna de destilación es desprender o recoger un líquido que se forma como resultado del proceso de fraccionamiento o de la separación de una mezcla en varios de sus componentes. Hay varios tipos de columnas de destilación:

• Columnas de bandejas: Una columna de bandejas funciona como un mezclador perfecto. La alimentación líquida se desplaza hacia abajo a través de una bandeja, mientras que el vapor se desplaza hacia arriba a través de la misma bandeja. Las direcciones de movimiento de ambas fases en cada bandeja provocan una buena mezcla. Una columna de bandejas utiliza varios tipos de bandejas, como bandejas de rejilla, bandejas de doble flujo, bandejas de campana de burbujas y otras. Las bandejas de campana de burbujas son las más comunes entre ellas. Una bandeja de campana de burbujas tiene una cabeza encapsulada que se asemeja a un armario. El vapor que se desplaza hacia arriba a través de la columna se enfría en la cabeza de la bandeja. El líquido se acumula entonces en la cabeza de la campana de burbujas. Finalmente, gotea hacia abajo a través de la base abierta de la campana de burbujas. El nuevo vapor que se desplaza a la bandeja superior se mezcla con el líquido que baja de las bandejas superiores. Con el tiempo, este proceso conduce a la separación de los compuestos de la mezcla.
• Columnas sin bandejas: En las columnas sin bandejas, el vapor y el líquido se mueven en contracorriente. A través del flujo descendente del líquido, se forman varios puntos de contacto para el vapor que asciende. Este fenómeno hace que los elementos dentro de la alimentación comiencen a separarse. Finalmente, el líquido que fluye hacia abajo recoge los componentes vaporizados de la mezcla. Algunas columnas sin bandejas incluyen la Coluna de Aguas, que es la columna de agua, la columna de relleno aleatorio y la columna de relleno estructurado.
• Columnas de vacío: Una columna de vacío funciona a presión reducida. Por lo tanto, realiza la destilación a una temperatura inferior a la de descomposición. La función de la bomba de vacío en una columna de destilación es crear un vacío. Elimina la mezcla gaseosa del sistema. La columna separa entonces todos los componentes.

Especificaciones y mantenimiento

• Capacidad:

  Las industrias pueden encontrar la capacidad ideal de la columna de destilación observando el flujo de alimentación que tienen. La medida de esto suele ser cada hora, y puede ser algo pequeño como 10 galones o tan grande como 100.000 galones cada hora.

• Altura y diámetro:

  Las columnas de destilación son altas y tienen una forma esbelta similar a un tronco. Su altura varía mucho, desde unos simples 10 pies hasta unos gigantescos 300 pies o incluso más. El diámetro, que es como el ancho, también varía de 1 pie a más de 20 pies, dependiendo de la cantidad de material que se deba procesar.

• Materiales:

  En general, el acero al carbono se utiliza en el diseño de las columnas de destilación, además de su aleación de acero inoxidable, que nunca se oxida. Por lo general, la parte más ancha de la columna está hecha de acero al carbono, mientras que se evita la corrosión en algunas partes, como las bandejas, el relleno y el hervidor, que están hechos de acero inoxidable.

• Eficiencia:

  Tiene la capacidad de lograr la separación de componentes con diferentes puntos de ebullición. Esta eficiencia se expresa a través del número de platos o columnas teóricos, la altura equivalente a un plato (HETP) y la eficiencia de Murphree de los platos o el relleno.

• Características de seguridad:

  A menudo, las columnas de destilación se enfrentan a algunos peligros, como la explosión, la implosión y el fuego, lo que supone grandes riesgos. Por lo tanto, se necesitan características de seguridad para las columnas de destilación, incluyendo discos de rotura, válvulas controlables y mecanismos de solución de problemas.

• Consumo de energía:

  La energía necesaria para mantener los gradientes de temperatura en la columna para que los componentes puedan separarse aún más incluye el consumo de las columnas de destilación.

Para garantizar la coherencia en todas las operaciones, así como para mantener la eficacia y prolongar la vida útil de todo el equipo, es igualmente importante obtener consejos útiles sobre cómo, más importante aún, qué, específicamente, junto con la frecuencia, debe hacerse para que no haya incidentes como resultado de un fallo o de descuidar algo esencial.

A continuación se ofrecen algunos consejos para el mantenimiento de las columnas de destilación.

• Hervidor y condensador:

  La eficacia de una columna de destilación depende en gran medida del rendimiento de su hervidor y condensador, y está al mismo nivel que ellos. Como resultado, se hace necesario prestar mucha atención a lo que sucede con ambas partes para que puedan seguir haciendo su trabajo previsto sin ningún obstáculo durante el mayor tiempo posible. Se deben llevar a cabo procedimientos de limpieza periódicos en estos componentes, junto con un control constante destinado a detectar cualquier signo de disminución de su funcionamiento; esto ayudará a garantizar que el equipo funcione de manera eficiente durante toda su vida útil.

• Bandeja y relleno:

  Con el paso del tiempo, la suciedad y otros tipos de depósitos pueden acumularse en las bandejas y los materiales de relleno utilizados en una columna de destilación, impidiendo así su funcionamiento. Por lo tanto, es muy importante limpiar periódicamente estos elementos para que puedan seguir funcionando eficazmente para separar los distintos componentes. El método empleado para la limpieza debe elegirse en función de los materiales que se hayan utilizado, así como del grado de suciedad que se haya depositado en ellos.

• Aislamiento al vacío:

  El aislamiento utilizado en una columna de destilación debe comprobarse periódicamente para asegurarse de que su sello al vacío sigue intacto. Además, no debe haber ninguna pérdida de calor o fugas. Esto ayuda a mantener bajos los costes energéticos asegurándose de que sólo se utiliza lo necesario para calentar la columna, minimizando al mismo tiempo cualquier tipo de pérdidas que se produzcan durante este proceso.

• Válvulas y bombas:

  Es importante comprobar y mantener periódicamente las bombas y las válvulas utilizadas en una columna de destilación para que puedan seguir funcionando eficazmente. El funcionamiento de estos dispositivos puede verse favorecido o dificultado por la suciedad, el desgaste por el paso del tiempo o incluso averías más graves. Por lo tanto, sería bueno que nos aseguráramos de que lo que ayuda a bombear los líquidos a través del sistema y lo que controla la cantidad que pasa por él funcionara bien todo el tiempo.

Escenarios industriales del diseño de la columna de destilación

El sector petroquímico utiliza principalmente columnas de destilación para refinar el petróleo crudo en diversos combustibles y productos químicos. Separan la compleja mezcla de hidrocarburos del petróleo crudo en función de sus diferentes puntos de ebullición. Las columnas también se utilizan para separar los líquidos del gas natural en componentes individuales como etano, propano, butano y nafta.

En la industria farmacéutica, las columnas de destilación purifican los disolventes y separan los compuestos químicos. Por ejemplo, las columnas se pueden utilizar para extraer y aislar los compuestos activos de las plantas en función de sus diferentes puntos de ebullición. Las columnas también pueden purificar medicamentos y eliminar impurezas de las soluciones químicas.

Los fabricantes de bebidas alcohólicas utilizan columnas de destilación para separar y purificar el etanol de las mezclas fermentadas. Las columnas ayudan a alcanzar el contenido de alcohol deseado y garantizan que el producto final sea puro. Algunas columnas de destilación están equipadas con sistemas de múltiples columnas. Estas operan en sucesión para lograr una mayor pureza y concentración de la separación. Estos sistemas se utilizan comúnmente en la industria química durante la destilación azeotrópica para separar los componentes que forman azeótropos o para refinar las sustancias hasta alcanzar una pureza muy alta.

Aquí hay algunos escenarios más sobre cómo se utilizan las columnas de destilación en diversas industrias.

• Industria petroquímica

  Las columnas de destilación se utilizan en las refinerías petroquímicas para la separación y extracción de valiosos compuestos de hidrocarburos. Se utilizan para separar componentes como el benceno, el tolueno y el xileno (BTX), que son materia prima importante para la producción de sustancias químicas aromáticas. Además, las columnas de destilación al vacío se utilizan comúnmente en la refinería para procesar las fracciones de petróleo crudo más pesadas en productos más ligeros y valiosos como el diésel y el combustible para aviones.

• Purificación del agua y desalación

  Las columnas de destilación se emplean en los procesos de purificación y desalación del agua. En estos escenarios, el diseño de la columna de destilación ayuda a separar el agua de las impurezas, las sales y los contaminantes mediante el proceso de vaporización y condensación. En el proceso de desalación, se puede utilizar una columna de destilación para convertir el agua de mar en agua dulce evaporando el vapor de agua y dejando atrás las sales.

• Industria alimentaria

  En la industria alimentaria, las columnas de destilación desempeñan un papel crucial en la producción de diversos alimentos y agentes aromatizantes. Se utilizan para extraer y purificar aceites esenciales de fuentes naturales, como plantas y frutas. Además, las columnas se utilizan para producir vinagre, ácidos grasos volátiles y azúcar, y para concentrar los zumos de fruta y el vino.

• Recuperación de disolventes

  En los procesos de fabricación química, los disolventes orgánicos se utilizan a menudo y posteriormente se evaporan. Las columnas de destilación se emplean para la recuperación de disolventes, permitiendo la separación y purificación de los disolventes utilizados para su reutilización en el proceso de fabricación. Esto no sólo reduce el desperdicio de productos químicos, sino que también minimiza el impacto ambiental.

• Aplicaciones medioambientales

  En las aplicaciones medioambientales, las columnas de destilación se pueden utilizar en las instalaciones de tratamiento de residuos para la eliminación y separación adecuadas de las sustancias peligrosas. También se utilizan en el control de la contaminación del aire para separar y recuperar los compuestos orgánicos volátiles (COV) de las corrientes gaseosas. En este caso, la destilación puede ayudar a reducir las emisiones tóxicas y proteger el medio ambiente.

Cómo elegir el diseño de la columna de destilación

Hay varios factores que deben considerarse al elegir un diseño para una columna de destilación.

• Variabilidad de la alimentación: A menudo, los clientes tendrán más de un tipo de alimentación. Ayudará a analizar todos los escenarios posibles, incluyendo las cualidades del destilado y el residuo para cada escenario. Un diseño flexible que pueda gestionar la variabilidad de la alimentación con un control robusto puede ayudar.
• Capacidad de funcionamiento: Piense en la cantidad de material que probablemente pasará por la columna cada año o mes. También considere el enfoque que tendrá el mantenimiento periódico para mantener la columna en buen estado. También es esencial analizar los costes asociados a las diferentes opciones, como los gastos de energía y la inversión en equipos durante un período más largo.
• Internos de la columna: Hay varias opciones disponibles, incluyendo bandejas y relleno. Cada uno tiene sus ventajas en términos de capacidad, eficiencia y caída de presión. Si se utilizan intercambiadores de calor, averigüe el tipo más adecuado en función de la alimentación, como la carcasa y el tubo o el enfriador de aire, entre otros.
• Estrategias de control: Lo mejor sería considerar los métodos de control que utiliza actualmente la planta y la familiaridad del personal con ellos. La automatización puede mejorar la eficiencia y reducir el riesgo de errores humanos.
• Preocupaciones de seguridad y medioambientales: Es fundamental tener en cuenta los límites y requisitos medioambientales para la seguridad. La selección de opciones de bajo riesgo junto con prácticas seguras para el almacenamiento y la eliminación de productos químicos puede reducir los riesgos medioambientales y para la salud.

P & A

P1: ¿Cuáles son algunas nuevas tendencias en el diseño de columnas de destilación?

R1: Hay varias tendencias nuevas en el diseño de columnas de destilación. Entre ellas, es probable que continúe el enfoque en el diseño de columnas de destilación energéticamente eficientes. Además, es probable que aumente el uso de software de simulación, ya que ayuda a comprender mejor el comportamiento dinámico de las columnas. Además, las innovaciones como las columnas de destilación con relleno están ganando popularidad debido a su alta eficiencia de separación y su menor consumo de energía.

P2: ¿Cuáles son los factores clave a considerar al diseñar una columna de destilación?

R2: El diseño de la columna de destilación debe tener en cuenta los objetivos de separación, la eficiencia energética, la capacidad de la columna y los materiales de construcción. R1: Además, el diseño de la columna debe considerar la elección de bandeja o relleno, la relación de tráfico vapor-líquido, la caída de presión, la facilidad de operación y las columnas bajo mantenimiento.

P3: ¿Es mejor utilizar bandejas o relleno en una columna de destilación?

R3: Tanto las bandejas como el relleno tienen sus pros y sus contras. Mientras que el relleno tiene menores caídas de presión y mayor eficiencia de separación, las bandejas permiten un control más fácil de las interacciones vapor-líquido. La elección dependerá de las necesidades específicas del proyecto.