Destilação Simplificada

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22. COLUMNA DE DESTILACION SIMPLIFICADA 
 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1. Especificar en forma simplificada una columna de destilación 
1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación 
mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand 
 
2. INTRODUCCION 
 
Uno de los procedimientos mas usualmente utilizados para obtener estimativos 
simplificados de número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación es 
el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand. 
 
Correlación de Gililand 
 
Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas 
teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo 
total, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, y la relación de reflujo de operación, R. 
 
Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica de 
Gililand que fue publicada en la revista “Hydrocarbon Processing” de Septiembre de 1975 
y que tiene la siguiente forma: 
 
 
 
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
−
−=
+
− 5688.0
1
175.0
1 R
RR
N
NN mm (22.1) 
 
 
Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos 
 
Para sistemas de volatilidad relativa constante, α, Fenske demostró una ecuación para el 
número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla 
multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones en 
el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK 
y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con 
respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es 
 
 
 
HKLK
LKW
HKW
HKD
LKD
m
X
X
X
X
N
/
,
,
,
,
ln
ln
α
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
= (22.2) 
Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de 
recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el 
cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave pesado 
se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (22.2). Conocido éste se 
pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes con sus 
respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación 
 
Ecuaciones de Underwood para calcular la relación de reflujo mínimo 
 
Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo 
mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones 
demostradas por Underwood 
 
Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (22.3) se utiliza para calcular la 
variable θ, y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades 
relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado 
 
 
 q
Xn
i i
Fii −=
−∑
=
1
1
,
θα
α
 (22.3) 
 
 
Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del 
alimento 
 
La segunda ecuación de Underwood (22.4) utiliza el valor de θ, calculado con la ecuación 
(3) para estimar la relación de reflujo mínimo. 
 
 
 m
n
i i
Dii R
X
+=
−∑
=
1
1
,
θα
α
 (22.4) 
 
 
Una solución exacta de este par de ecuaciones requiere de un procedimiento de ensayo y 
error 
 
Relación de reflujo de operación 
 
Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor 
que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la 
columna pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta 
los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador 
 
La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en 
un intervalo dado por 
 142
 
 
 3.1/03.1 << mRR (22.5) 
 
 
Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de 
reflujo de 1.2 veces la mínima 
 
3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION 
 
HYSYS dispone de una columna de destilación simple con reflujo denominada “Short Cut 
Distillation” que es calculada con el procedimiento corto de Fenske-Underwood-Gililand. 
Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de platos para una separación 
deseada expresada en términos de las fracciones de recuperación de los componentes claves 
y de las presiones en el tope y en fondo de la columna y con la ecuación de Underwood se 
calcula el reflujo mínimo conociendo la especificación completa del alimento. 
Especificando una razón de reflujo para la operación de la columna se calculan los flujos de 
vapor y líquido en las secciones de rectificación y agotamiento, las cargas calóricas en 
condensador y rehervidor, el número de platos ideales y la localización óptima del plato de 
alimentación. 
 
“Short Cut Distillation” es solamente un estimativo del comportamiento de la columna y 
está restringida a columnas simples con reflujo. Para resultados más reales debe usarse la 
operación “Distillation Column” rigurosa. Esta operación puede suministrar estimativos 
iniciales para la mayoría de las columnas simples. 
 
Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos 
 
1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido 
a. Ecuación: Peng Robinson 
b. Componentes: C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6 
c. Unidades: Field 
 
2. Instale una corriente con el nombre “Alimento”con las siguientes especificaciones 
a. Temperatura: 200 °F 
b. Presión: 100 psia 
c. Flujo: 1300 lbmole/h 
d. Composición (Fracción Molar) 
i. Etano 0.0148 
ii. Propano 0.7315 
iii. i-Butano 0.0681 
iv. n-Butano 0.1462 
v. i-Pentano 0.0173 
vi. n-Pentano 0.0150 
vii. n-Hexano 0.0071 
 
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3. Haga clic sobre el icono de nombre “Shortcut Column” que se encuentra en la 
paleta de objetos y observe que la cruz verde en su parte superior se ha activado. 
Haga clic sobre ella y se instalará la columna de destilación simplificada y se 
desplegará su ventana de propiedades 
 
4. En la página “Connections” de su pestaña “Design” conecte las corrientes de 
entrada y salida y las corrientes de energía como lo indica la Figura 1. 
 
 
 
 
Figura 1. Corrientes de materia y energía conectadas a la columna 
 
 
5. Haga clic para desplegar la página “Parameters” seleccione al propano como el 
componente clave liviano y al i-butano como el componente clave pesado, 
introduczca las especificaciones requeridas en los grupos “Components” y 
“Pressures”. Observe, Figura 2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de 
reflujo mínimo mediante la ecuación de Underwood. 
 
6. Haga clic, sobre la pestaña “Peformance” para que observe, Figura 3, que HYSYS 
ha calculado el número mínimo de etapas, mediante la ecuación de Fenske, y las 
correspondientes temperaturas de rocío, en el condensador, y de burbuja, en el 
rehervidor. 
 
7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro “External Reflux Ratio” del grupo “Reflux 
Ratios” de la página “Parameters”. Observe, Figura 4, que con esta especificación 
HYSYS completa los cálculos de algunos parámetros que expresan el desempeño de 
la columna como el número de etapas y los flujos materiales y calóricos requeridos 
en la operación de la columna 
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8. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las especificaciones de las 
corrientes “Destilado” y “Fondos”. ¿Se cumplen las especificaciones introducidas 
con respecto a las concentraciones de los componentes claves? 
 
 
 
 
Figura 2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima 
 
 
 
 
Figura 3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja 
 
 
El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura 5. 
 
4. CASOS DE ESTUDIO 
 
4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los 
reportados por HYSYS 
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4.2. Utilice la ecuación de Fenske para verificarel cálculo del número de etapas 
mínimo requerido en la operación de la columna 
4.3. Utilice la ecuación de Underwood para verificar la relación de reflujo mínima 
requerida en la operación de la columna 
4.4. Utilice la correlaión de Eduljee para verificar el cálculo del número de etapas reales 
requeridos en la operación de la columna 
 
 
 
 
Figura 4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación 
 
 
 
 
Figura 5. Diagrama de flujo de la columna de destilación 
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