1. Introducción

En esta web se describen los principales métodos utilizados para el diseño aproximado de operaciones de separación multicomponente. Se centra especialmente en operaciones de destilación, ya que es éste el principal método para la separación de mezclas, frente al cuál deben ser contrastados todos los demás. El predominio de la destilación sobre otras operaciones unitarias de separación de mezclas, a pesar de su baja eficiencia termodinámica, obedece a dos razones fundamentales, una de tipo cinético y otra de tipo termodinámico. Desde el punto de vista cinético, se trata de la operación que permite la mayor velocidad de transferencia de materia, y desde el punto de vista termodinámico, hay que destacar que otras operaciones unitarias presentan una eficiencia todavía menor. Por otro lado, muchas de las operaciones de separación que implican cascadas de etapas de equilibrio se resuelven mediante la aplicación de los métodos de simulación o de diseño desarrollados para la rectificación, considerando que solamente cambian los métodos o los modelos utilizados para resolver los cálculos de equilibrio entre fases.

Tradicionalmente, el estudio de la rectificación se aborda diferenciando entre el caso de las mezclas multicomponentes y las binarias. Esto se justifica, en primer lugar, por el hecho de que los métodos gráficos, que resultan tan útiles en el diseño de procesos de destilación de mezclas binarias, no pueden aplicarse en el caso de mezclas multicomponentes, donde por tanto es necesario el desarrollo de métodos algebraicos diferentes. Además el planteamiento del problema también es diferente ya que el número de variables que se puede especificar permite que, en el caso de las mezclas binarias, sea posible llegar a conocer con exactitud cuál va a ser la composición de los productos deseados, mientras que en el caso multicomponente, sólo se podrá conocer la composición de los dos componentes clave que se pretende separar. Por tanto no serán directamente aplicables los criterios en que se basan los métodos clásicos de Ponchon-Savarit o de McCabe-Thiele, que deberán ser modificados o sustituidos por otros. Esta es una situación común para todos los procesos de separación en los que el equilibrio entre las fases implicadas no pueda representarse gráficamente en un plano (equilibrio líquido-vapor en mezclas de más de 2 componentes, equilibrio líquido-líquido en mezclas de más de tres componentes y equilibrio líquido-gas donde se reparte más de un componente), aunque como ya se ha dicho, se suele considerar como referencia el caso líquido-vapor.

Aunque se dispone de métodos rigurosos para la simulación o el diseño de operaciones de rectificación multicomponente desde los años 30, la resolución de estos problemas se abordó primero, de forma aproximada, mediante procedimientos gráficos o analíticos y hasta que no se dispuso de ordenadores potentes, no se desarrollaron adecuadamente los métodos rigurosos. En la actualidad no hay ningún tipo de conflicto entre ambos tipos de métodos, y se combina la velocidad y precisión de los cálculos rigurosos realizados por los programas de ordenador para la simulación de columnas de rectificación con la utilidad analítica y visual de los métodos gráficos, reservándose los métodos analíticos aproximados para las etapas preliminares del diseño.

A la hora de plantearse el diseño o el análisis de una columna hay que considerar los siguientes aspectos:

Por otro lado, el cálculo completo de una columna de destilación (considerando como tal la resolución de los once primeros aspectos enunciados previamente) puede dividirse en tres partes:

  1. Cálculo del diseño preliminar (mediante métodos aproximados), incluyendo la elección del tipo y disposición del equipo a utilizar, los balances de materia previos y la estimación de costes del diseño preliminar. A partir de esta estimación se determinan aproximadamente las condiciones de trabajo óptimas (más económicas), se elige la razón de reflujo de operación y se estima el tamaño de la columna.
  2. Cálculo detallado de las composiciones de los pisos (mediante métodos rigurosos), con lo que se obtiene la composición de los productos con mayor exactitud, y se fija la posición óptima del alimento. Con mezclas complejas, este cálculo puede conducir a resultados bastante diferentes de los obtenidos con el diseño preliminar.
  3. Análisis de los resultados, por ejemplo mediante un método gráfico.

Una vez concluidos los cálculos de las tres etapas anteriores, el diseño completo de la columna supone calcular el diámetro de la columna, diseñar los dispositivos internos de ésta y determinar la pérdida de presión en la columna. Se debe comprobar entonces si la pérdida de presión calculada coincide con el valor fijado para llevar a cabo el cálculo detallado de las composiciones de los pisos de la columna. En general se trata de un proceso de cálculo iterativo en el que una vez que se ha concluido el diseño de la columna, se debe comprobar:

  • que todos los valores de parámetros que hayan sido supuestos coinciden con los calculados,
  • que el diseño final al que se haya llegado permite que la columna opere de manera estable.

En la actualidad, los métodos aproximados se usan para:

  • Diseño preliminar
  • Establecer las condiciones óptimas de operación
  • Establecer la secuencia óptima de separación en síntesis de procesos.

El método de cálculo del diseño preliminar es de gran importancia para los ingenieros químicos. Los pasos a seguir son los siguientes:

  1. Normalmente se conoce la cantidad de alimento y su composición y se especifica la calidad y/o la cantidad de los productos deseados. Si se desea obtener más de dos productos con unas especificaciones de separación elevadas, generalmente se necesita más de una columna de destilación y la mejor disposición de todo el equipo suele ser la elegida en esta primera etapa de los cálculos. Se desarrollan entonces balances de materia preliminares, eligiendo cuidadosamente las concentraciones de los productos de forma que, además de asegurar la obtención de la calidad deseada, sea factible para el equipo de destilación conseguir dicha destilación. Estos balances de materia son preliminares, de forma que no es fácil saber si la columna diseñada podrá satisfacerlos ya que es posible que en una fase determinada de los cálculos rigurosos piso a piso no puedan alcanzarse las concentraciones especificadas para algunos componentes en los productos. Por otro lado, hay que tener también en cuenta que, si la mezcla que se desea separar consiste en una mezcla de hidrocarburos derivada del petróleo, no se conocerá su composición de manera exacta y habrá que aplicar algún procedimiento que permita caracterizarla mediante la definición de pseudocomponentes.
  2. A continuación se debe hacer una selección de modelos para el cálculo de las propiedades termodinámicas y de transporte de la mezcla. Esta es una etapa determinante ya que la validez de los resultados obtenidos depende de la capacidad de los modelos elegidos para predecir el comportamiento del sistema. Esto es especialmente importante de cara al cálculo del equilibrio entre fases, donde se hace indispensable contrastar la validez del modelo para el cálculo de las relaciones de equilibrio previamente a su aplicación en los métodos de diseño o simulación de la operación. Por otro lado, hay que tener en cuenta que la comprobación de la validez del modelo debe realizarse mediante la comparación de las predicciones de éste (cálculo de temperaturas o presiones y, muy especialmente, composiciones en el equilibrio) con datos experimentales. En la bibliografía se dispone de pocos datos para sistemas multicomponentes, y con mucha frecuencia los datos de equilibrio y de propiedades físicas de todos los componentes de la mezcla en el intervalo de presión y temperatura que ha de utilizarse han de calcularse o estimarse a partir de las propiedades de los componentes puros.
  3. Se selecciona la configuración óptima de la columna que permite realizar la separación deseada. Para ello se debe efectuar una estimación del coste preliminar de diferentes columnas que operen dentro del intervalo posible de condiciones de operación, que viene determinado por las condiciones de reflujo mínimo –que corresponde a una columna que es capaz de llevar a cabo la separación deseada con infinitas etapas- y reflujo total –que corresponde a una columna que es capaz de llevar a cabo la separación deseada con el número mínimo de etapas-. Si se conoce la producción de la columna y la relación entre el número de pisos y la razón de reflujo, puede estimarse el coste de funcionamiento de la columna y el capital inmovilizado para la instalación completa. La configuración óptima será aquella que corresponda al mínimo coste.

El diseño completo de una columna, así como su puesta a punto y funcionamiento constituyen tareas complejas. H.Z. Kister ha publicado un libro (Distillation-Operation-) en el que se describen las causas más frecuentes de los problemas de operación de las columnas de rectificación y posibles maneras de evitarlos, donde se pone de manifiesto que en el 7% de los casos, los problemas tienen su origen en el diseño primario de la columna (cálculos relacionados con equilibrio líquido-vapor, relación entre el número de etapas y la relación de reflujo, características específicas de la rectificación multicomponente, eficiencias, escalado, dimensionado de la columna, esquemas de flujo, tipo de pisos y tamaño y material del relleno), a pesar de que esta cuestión constituye el grueso de los conocimientos actuales sobre el proceso de destilación. Hay que resaltar que, aunque estos aspectos son primordiales en el diseño y optimización de las columnas, parecen ejercer una influencia secundaria sobre el funcionamiento de la columna, sobre todo en el caso de procesos de separación bien experimentados, aunque puede llegar a ser importante cuando se trata de separaciones que se van a poner a punto por vez primera. Sin embargo, ello no significa que el personal que opera con las columnas o el que se encarga de solucionar los problemas de funcionamiento no deba estar familiarizado con el diseño primario de la columna. Más bien ocurre todo lo contrario, ya que sin unos sólidos conocimientos sobre el diseño primario de las columnas es imposible comprender cómo ocurre el proceso de destilación.