Métodos de regulación de la presión en la torre

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Conocimientos básicos sobre la operación de destilación 1. ¿Qué son las fases y el equilibrio de fases? Respuesta: Una fase se refiere a una parte homogénea dentro del sistema que tiene las mismas propiedades físicas y químicas. Entre las diferentes fases existe una interfase que separa cada una de ellas. La cantidad de fases en el sistema no está relacionada con la cantidad de sustancia. Si se mezclan el agua y el hielo, el agua está en fase líquida y el hielo en fase sólida. En general, los materiales en la torre de destilación se encuentran en dos fases: gaseosa y líquida. Bajo ciertas temperaturas y presiones, si en el sistema de materiales existen dos o más fases, y la cantidad relativa de materiales en cada fase, así como la concentración de los diferentes componentes en cada una de ellas, no varía con el tiempo, entonces decimos que el sistema se encuentra en estado de equilibrio. En estado de equilibrio, la materia sigue en movimiento constante. Sin embargo, la cantidad de cada fase y la concentración de sus componentes no cambian con el tiempo. Cuando las condiciones cambian, se establece un nuevo equilibrio de fases. Por lo tanto, el equilibrio de fases es algo dinámico y relativo, y no algo estático y absoluto. Por ejemplo: en un sistema de destilación, cuando el gas a mayor temperatura y el líquido a menor temperatura entran en contacto sobre las bandeas de la torre de destilación, se produce transferencia de calor y de masa. Como resultado, parte del gas se condensa y la concentración de los componentes de alto punto de ebullición en la fase líquida aumenta continuamente. La parte líquida en las placas de evaporación se vaporiza, y la concentración de los componentes de bajo punto de ebullición en la fase gaseosa aumenta constantemente. Pero este proceso de transferencia de calor y masa no es ilimitado. Cuando las dos fases, gaseosa y líquida, alcanzan el equilibrio, la composición de cada uno de sus componentes en ambas fases deja de cambiar con el tiempo. 2. ¿Qué es la presión de vapor saturado? Respuesta: A una temperatura determinada, la presión que genera el vapor en equilibrio con la forma líquida (o sólida) de la misma sustancia se denomina presión de vapor saturado. Esta presión aumenta a medida que aumenta la temperatura. Como es bien sabido, el agua que se deja en un vaso se va reduciendo cada vez más debido a la evaporación continua. Si se coloca agua pura en un recipiente cerrado y se extrae el aire de la parte superior, a medida que el agua sigue evaporándose, la presión del gas por encima de la superficie del agua, es decir, la presión del vapor de agua, aumenta continuamente. Sin embargo, cuando la temperatura es constante, la presión en la fase gaseosa se estabilizará en un valor fijo. A esta presión se le denomina presión de vapor saturado del agua a esa temperatura. Cabe señalar que, cuando la presión en la fase gaseosa alcanza el valor de la presión de vapor saturado, las moléculas de agua en la fase líquida siguen evaporándose continuamente. Al mismo tiempo, las moléculas de agua en la fase gaseosa también se condensan constantemente en estado líquido. Pero como la velocidad de evaporación del agua es igual a la velocidad de condensación del vapor de agua, la cantidad de líquido no disminuye, ni tampoco la cantidad de gas. De este modo, se logra un equilibrio entre el gas y el líquido. Por lo tanto, cuando la presión del vapor de una sustancia pura en estado líquido es igual a su presión de vapor saturado, las fases gaseosa y líquida alcanzan el equilibrio de fase. 3. ¿Qué es la destilación y cuál es su principio? Respuesta: El proceso mediante el cual se vaporiza parcialmente una mezcla líquida en varias ocasiones, y al mismo tiempo se condensa parcialmente el vapor generado, con el fin de separar la mezcla en los componentes deseados, se denomina destilación. ¿Por qué al someter una mezcla líquida a múltiples procesos de vaporización parcial y, al mismo tiempo, a múltiples procesos de condensación parcial, se pueden separar los componentes en forma pura o relativamente pura? En el proceso de vaporización y condensación, dado que los componentes presentes en la mezcla líquida tienen puntos de ebullición diferentes, cuando esta se vaporiza parcialmente a una temperatura determinada, los compuestos con punto de ebullición más bajo se vaporizan más fácilmente. Por lo tanto, su concentración en la fase gaseosa es mayor que en la fase líquida. En cambio, en la fase líquida, la concentración de los compuestos con punto de ebullición más alto es mayor que en la fase gaseosa. Esto cambia la composición de las fases gasosa y líquida. Cuando se condensa parcialmente el vapor obtenido por la vaporización parcial, como los compuestos con punto de ebullición alto se condensan más fácilmente, la concentración de estos compuestos en el líquido condensado es mayor que en la fase gaseosa. Por otro lado, la concentración de los compuestos con punto de ebullición bajo en el gas condensado es mayor que en el líquido condensado. De esta manera, mediante una vaporización parcial y una condensación parcial, la mezcla se separa inicialmente gracias a los cambios en las concentraciones de sus componentes. Si se continúa haciendo esto varias veces, al final lo que quedará en la fase líquida serán básicamente los componentes de alto punto de ebullición, mientras que en la fase gaseosa quedarán básicamente los componentes de bajo punto de ebullición. Por lo tanto, la evaporación parcial múltiple y la condensación parcial múltiple realizadas simultáneamente permiten separar la mezcla en componentes puros o relativamente puros. La vaporización de un líquido absorbe calor, mientras que la condensación de un gas libera calor. Para utilizar el calor de manera eficiente, podemos aprovechar el calor liberado durante la condensación del gas para alimentar el proceso de vaporización del líquido. De esta manera, las dos fases, gaseosa y líquida, entran en contacto directo, lo que permite que se produzca tanto la transferencia de calor como la transferencia de masa al mismo tiempo. Para satisfacer este requisito, en la práctica, este proceso de vaporización parcial repetida acompañada de condensación parcial repetida se lleva a cabo en equipos de tipo placa con flujo contracorriente. El llamado flujo en contracorriente consiste en que el gas de temperatura más alta, generado por el calentamiento del líquido, fluye de abajo hacia arriba en dirección opuesta al líquido de retorno de temperatura más baja (rico en componentes de bajo punto de ebullición) que se forma por condensación en la parte superior de la torre. Los procesos de transferencia de calor y masa que ocurren dentro de la torre son los siguientes: 1) Las dos fases, gas y líquido, intercambian calor; el calor del mezcla gaseosa obtenida por vaporización parcial se utiliza para calentar la mezcla líquida resultante de la condensación parcial ； 2) Los dos fases, gas y líquido, realizan un intercambio de masa simultáneamente con el intercambio térmico. La mezcla líquida a baja temperatura es calentada por la mezcla gaseosa a alta temperatura, lo que provoca que una parte de ella se vaporice. En este momento, debido a las diferencias en su capacidad de evaporación (los compuestos con punto de ebullición bajo tienen una mayor capacidad de evaporación, mientras que los compuestos con punto de ebullición alto la tienen menor), los compuestos con punto de ebullición bajo se evaporan en mayor cantidad que los de punto de ebullición alto. Como resultado, los componentes con punto de ebullición bajo pasan de la fase líquida a la fase gaseosa; así, los componentes fácilmente volátiles se concentran en la fase gaseosa ； De manera similar, las mezclas gaseosas a mayor temperatura, al calentar las mezclas líquidas a menor temperatura, se condensan parcialmente. También, debido a las diferencias en su capacidad de evaporación, los componentes con punto de ebullición más alto pasan de la fase gaseosa a la fase líquida, lo que provoca una mayor concentración de los componentes poco volátiles en la fase líquida. La torre de destilación está compuesta por varias placas de destilación. La parte más alta de la torre se denomina vértice de la torre, mientras que la parte más baja se llama fondo de la torre. En una placa de la torre, solo tiene lugar una vez la vaporización parcial y la condensación parcial. Cuanto más placas haya en la torre, más veces ocurrirán estos procesos de vaporización y condensación parcial, lo que permite una mejor separación de los componentes. A lo largo de todo el proceso de destilación, al final se obtienen componentes volátiles de alta pureza desde la parte superior de la torre; mientras que en el fondo de la torre se obtienen básicamente los componentes poco volátiles. 4. ¿Qué es el punto de rocío? Respuesta: Al enfriar una mezcla de gases a presión constante, cuando se alcanza una determinada temperatura, se forman las primeras gotas líquidas. Esa temperatura se denomina punto de rocío de la mezcla a esa presión; en resumen, punto de rocío. Un gas que se encuentra a la temperatura de punto de rocío se denomina gas saturado. La temperatura del gas que se evapora desde la parte superior de la torre de destilación es igual a la temperatura del punto de rocío. Cabe señalar que: el primer yermo no es un componente puro; el líquido en equilibrio con la fase gaseosa a la temperatura del punto de rocío tiene una composición determinada por las relaciones de equilibrio de fases. Por lo tanto, se puede observar que las mezclas gaseosas con composiciones diferentes tienen puntos de rocío distintos. 5. ¿Qué es el punto de burbujeo? Respuesta: Cuando una mezcla líquida se calienta a una cierta temperatura bajo una presión determinada, la primera burbuja muy pequeña que aparece en el líquido, es decir, la temperatura en la que comienza a hervir, se denomina punto de ebullición de ese líquido a dicha presión; en resumen, punto de ebullición. El líquido que se encuentra a la temperatura de ebullición se denomina líquido saturado, es decir, la temperatura del fondo de la columna de destilación. Cabe señalar que esta primera burbuja, muy pequeña, tampoco es un componente puro; su composición también está determinada por las relaciones de equilibrio de fases. 6. ¿Qué es el punto de ebullición? Respuesta: Cuando la presión de vapor saturado de una sustancia líquida pura es igual a la presión externa, el líquido comienza a hervir. La temperatura en ese momento se denomina punto de ebullición del líquido a dicha presión. El punto de ebullición de una sustancia pura varía con los cambios en la presión externa. Cuando la presión externa aumenta, el punto de ebullición también aumenta; cuando la presión externa disminuye, el punto de ebullición disminuye. Para las sustancias puras, a una presión determinada, el punto de burbujeo, el punto de rocío y el punto de ebullición son todos un mismo valor. 7. ¿Qué es el calor latente? Respuesta: La masa de una sustancia pura por unidad de peso durante una transformación de fase (cuando la sustancia cambia de estado sin que ocurra ninguna reacción química; a esto se le denomina transformación de fase). Procesos como el hielo que se forma a partir del agua o el vapor de agua que se convierte en agua son procesos de cambio de fase. El calor absorbido o liberado durante un proceso se denomina calor latente. La cantidad de calor que se absorbe cuando 1 kilogramo de agua pasa del estado líquido al estado de vapor se denomina calor latente de vaporización del agua. La unidad habitual para expresarlo es el kilocalorio por kilogramo. Cabe señalar que, durante la transformación de fase, tanto la temperatura como la presión permanecen constantes; de lo contrario, no se puede hablar de calor latente. Por lo tanto, al hablar de los valores del calor latente, es necesario indicar a qué temperatura y presión tiene lugar el proceso de transformación de fase. Por ejemplo, 1 kilogramo de agua se vaporiza a una presión de 760 milímetros de mercurio y a una temperatura de 100 grados Celsius; la energía latente de vaporización es de 539.6 kilocalorías. Por el contrario, en estas condiciones, el calor liberado por la condensación del vapor de agua se denomina calor latente de condensación, y su valor es igual al anterior. El calor latente de la mezcla puede medirse o calcularse. Su valor depende, no solo de las propiedades de los componentes, sino también de su contenido en la mezcla; por lo tanto, no se trata de un valor fijo. 8. ¿Qué es el calor sensible? Respuesta: La caloría que absorbe o libera una sustancia pura debido a cambios de temperatura, sin que se produzcan transformaciones de fase ni reacciones químicas, se denomina calor sensible. 9. ¿Qué es la relación de retroflujo? Respuesta: En el proceso de destilación, el vapor que se genera al calentar la mezcla sale por la parte superior de la torre y entra en el condensador situado en esa misma zona. El vapor se condensa aquí (o se condensa parcialmente) en líquido. Una parte de este líquido condensado es devuelta a la parte superior de la torre, fluyendo a lo largo de las placas de la torre; a esta parte de líquido se le denomina líquido de reflujo ； Se extrae otra parte del condensado (o vapor no condensado) desde la parte superior de la torre, como producto. La relación de recirculación es la proporción entre la cantidad de líquido que se recircula y la cantidad de líquido que se extrae, y generalmente se representa con la letra R. Es decir, R = L/D. En esta fórmula, R representa la relación de recirculación; L representa la cantidad de líquido que se recircula en una unidad de tiempo, en kilogramos por hora. D: Cantidad de producto extraído en la parte superior de la torre por unidad de tiempo, kilogramos/hora. 10. ¿Qué es la relación de retroflujo mínima? Respuesta: Bajo los requisitos establecidos de precisión de separación, es decir, cuando las composiciones extraídas en la parte superior e inferior de la torre son fijas, al reducir gradualmente la relación de reflujo, el llamado número de platos teóricos aumenta progresivamente. Cuando la relación de reflujo disminuye hasta un valor determinado, el número teórico de placas necesarias aumenta hasta ser infinito. Este valor de la relación de reflujo se considera como la relación de reflujo mínima necesaria para llevar a cabo la tarea de separación deseada. En la operación normal, la relación de reflujo real se establece entre 1,3 y 2 veces la relación de reflujo mínima. 11. ¿Qué es el reflujo total? Respuesta: En la operación de destilación, el procedimiento en el que se detiene la alimentación a la torre, la salida del fondo de la torre y la salida de la parte superior de la torre, y todo el condensado de la parte superior de la torre se utiliza como líquido de retorno, se denomina retroalimentación total. La operación de recirculación total se utiliza mayormente en las fases iniciales de puesta en marcha de las torres de destilación, o en la operación de recirculación autónoma de dichas torres cuando la producción no es normal. 12. ¿Cómo se determina la relación de recirculación óptima? Respuesta: En los procesos que requieren una separación fija, al reducir la relación de reflujo, los costos de operación (que se manifiestan principalmente en la cantidad de calor para calentar el fondo de la torre y el frío para enfriar la parte superior de la misma) disminuirán; sin embargo, el número de platos necesarios aumentará y el costo de inversión de la torre crecerá ； Por el contrario, al aumentar la relación de reflujo, se puede reducir el número de platos, pero aumentan los costos de operación. Por lo tanto, al diseñar el sistema, se debe elegir una relación de retorno óptima, de modo que la suma de los costos de inversión y los costos operativos periódicos sea mínima bajo ciertas condiciones económicas. En ese caso, a dicha relación de retorno se le denomina relación de retorno óptima. La relación de retroflujo más adecuada es de 1,3 a 2 veces la relación de retroflujo mínima. 13. ¿Qué es la caída de presión en una torre de destilación? Respuesta: La llamada caída de presión en la torre de destilación es, en realidad, la diferencia de presión entre la parte inferior y la parte superior de la torre. En el caso de las columnas de tipo placa, la caída de presión en las placas está compuesta principalmente por tres componentes: la caída de presión en las placas secas, la caída de presión en la capa líquida y la caída de presión necesaria para superar la tensión superficial del líquido. La diferencia de presión entre la parte inferior y la parte superior de la torre es la suma de las caídas de presión en cada placa de la torre. La llamada caída de presión en las placas secas se refiere a la caída de presión que se produce cuando el gas (o vapor) que asciende dentro de la torre de destilación pasa por las placas donde no hay líquido ； La caída de presión que se produce cuando el gas atraviesa la capa líquida en cada placa de la torre, se denomina caída de presión en la capa líquida ； La caída de presión que se produce cuando el gas supera la tensión superficial del líquido, se denomina caída de presión por tensión superficial del líquido. En el caso de una torre fija, durante su operación normal, la caída de presión en la torre varía principalmente según la velocidad del gas que asciende; la experiencia demuestra que dicha caída de presión es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del gas. 14. ¿Qué es la velocidad en torre vacía? ¿Qué relación tiene con la velocidad del flujo? Respuesta: La velocidad de vacío de la torre se refiere a la relación entre el volumen de vapor que asciende en la torre de destilación por unidad de tiempo y el área transversal de la torre; es decir, la distancia que recorre el vapor ascendente dentro de la torre por unidad de tiempo. La unidad es metros cúbicos por segundo. m² o m/s. La fórmula es: W = VsAa. Donde W representa la velocidad del viento en el interior de la torre, en metros por segundo ； Vs: caudal volumétrico de vapor ascendente, m³/s ； Aa: Área total de la torre, en metros cuadrados. ∵Aa=0,785D2 (D es el diámetro interno de la torre, en metros). Por lo tanto, W=Vs/0,785D2. La velocidad del vapor se refiere a la relación entre el volumen de vapor que pasa por los orificios de ascenso por unidad de tiempo y la superficie total de esos orificios; es decir, es la velocidad a la que el gas asciende a través de ellos, y su unidad es metros cúbicos por segundo. metros por segundo, o m/s. La fórmula es: W_hoyo = Vs/AT. Donde: W_hoyo es la velocidad del hoyo, en metros por segundo ； AT: Área total de los estomas, en metros cuadrados. Dado que el área total de los canales por donde fluye el vapor está determinada por la tasa de aberturas en las placas de la columna, si se denota esa tasa como Φ, entonces la fórmula es: W_canal = Vs / 0,785D²Φ = W/Φ. La velocidad del vapor en la columna vacía es uno de los factores importantes que influyen en el proceso de destilación. Para las columnas ya definidas, si se aumenta la velocidad del vacío dentro de los límites permitidos, se puede mejorar su capacidad de producción. Cuando la velocidad del gas en la torre alcanza un cierto límite, las fases gas-líquido no tienen suficiente tiempo de contacto en las placas de la torre; además, se produce una grave mezcla de espuma, lo que afecta negativamente el funcionamiento normal de la torre. Por lo general, la velocidad de vacío se determina teniendo en cuenta que la cantidad de espuma arrastrada no debe superar el 10%; a esta velocidad se le denomina velocidad máxima permitida. Cuando la velocidad del gas en la torre es demasiado baja, no es posible que el gas pase a través de los orificios. Además, no se puede mantener el líquido en las placas superiores de la torre. El líquido puede fluir hacia abajo, a través de los orificios de escape, hasta las placas inferiores. Este fenómeno se denomina fuga de líquido. Cuando la fuga es grave, se reduce la eficacia de separación de la torre de destilación, especialmente en las torres de placa cribada, torres de válvulas flotantes y torres de lengüeta. 15. ¿Qué es el área de las aberturas en la torre? ¿Cómo se determina la tasa de aberturas? Respuesta: Dentro de la torre de destilación fluye vapor desde abajo hacia arriba, y líquido desde arriba hacia abajo. Ambos deben pasar por cada placa de la torre al mismo tiempo. El paso por el cual el gas atraviesa las placas de la torre se denomina conducto de ascenso; el área transversal total de dichos conductos corresponde al área de los orificios de cada placa. El área de las aberturas en la torre de válvulas flotantes es la suma de las áreas transversales de todos los orificios de dichas válvulas. La selección de la área de sección transversal de los orificios se determina en función del nivel de carga de producción y de la velocidad de vapor permitida. La llamada tasa de apertura es, en general, la relación entre el área total de las aberturas seleccionadas y el área total de sección transversal de la torre vacía; se representa mediante Φ, es decir: Φ = AT/Aa × 100%. En esta fórmula, Φ es la tasa de apertura; AT es el área total de sección transversal de las aberturas, en m²; y Aa es el área total de sección transversal de la torre vacía, en m². En ocasiones, para adaptarse a diferentes cargas gaseosas en cada placa o sección de la torre, se pueden elegir distintas tasas de apertura durante el diseño. A medida que varía la tasa de porosidad, también varía la eficiencia en la transferencia de masa. Además, la tasa de aberturas también tiene una gran influencia en la capacidad de procesamiento de la torre. En un mismo diámetro de la torre, la capacidad de tratamiento aumenta proporcionalmente a medida que aumenta la tasa de aberturas ； Para una misma capacidad de procesamiento, a medida que aumenta la tasa de aberturas, se puede reducir el diámetro de la torre; por lo tanto, la tasa de aberturas es uno de los indicadores importantes en el diseño. 16. ¿Qué es el rebosamiento? Respuesta: En la operación de destilación, el líquido que se encuentra en las placas inferiores de la columna asciende hacia las placas superiores, lo cual interrumpe el funcionamiento normal de la columna. Este fenómeno se denomina transbordamiento de líquido. La causa de la formación de efusión líquida se debe, principalmente, a que la velocidad del vapor que asciende dentro de la torre es excesiva, superando así la velocidad máxima permitida. Además, en las operaciones de destilación, también es común que la carga líquida sea excesiva, lo que hace que el nivel del líquido en el tubo de desbordamiento aumente. Esto provoca que el líquido de las placas superiores e inferiores se mezcle, lo cual interrumpe el funcionamiento normal de la torre. Esta situación también constituye una forma de transbordamiento de líquido. Ambos fenómenos pertenecen a la inundación líquida, pero las causas que los provocan son diferentes. 17. ¿Qué es la arrastre de espuma? Respuesta: La arrastre de espuma se refiere a las gotas líquidas que el gas lleva desde las placas inferiores de la torre hasta las placas superiores. Durante el proceso de transferencia de masa, la gran cantidad de espuma que se genera hace que las sustancias que no deberían llegar a la parte superior de la torre se incluyan en el producto. Esto disminuye la calidad del producto. Además, también se reduce la diferencia de concentración durante el proceso de transferencia de masa, lo que a su vez disminuye la eficiencia de las placas de la torre. Para una torre dada, la cantidad máxima permitida de espuma arrastrada determina la velocidad de ascenso del gas. Existen muchos factores que influyen en la cantidad de espuma arrastrada, como el espaciado entre las placas de la torre, la velocidad del flujo en la torre vacía, la altura del dique, la velocidad del flujo líquido y las propiedades físico-químicas de la materia. También hay que señalar que la cantidad de espuma arrastrada está estrechamente relacionada con la estructura del dispositivo de captura. Aunque hay muchos factores que influyen en la cantidad de espuma arrastrada, los más importantes son la velocidad del aire en la columna y el espacio de separación entre las dos placas de la columna. En el caso de torres fijas, la cantidad de espuma arrastrada aumenta principalmente a medida que aumenta la velocidad del aire en la torre. Sin embargo, si se aumenta la distancia entre las placas de la torre, ampliando así el espacio de separación, aumentará en consecuencia la velocidad del aire en la torre. 18. ¿Qué es una fuga de líquidos? Respuesta: El fenómeno por el cual el líquido en las placas de la columna fluye desde los canales de gas ascendente hacia las placas inferiores se denomina fuga. En las operaciones de destilación, si la energía que posee el gas en ascenso no es suficiente para superar la capa líquida presente en las placas de la torre, e incluso es inferior a la energía potencial de esa capa líquida, entonces no se puede mantener el líquido en su lugar y se produce una fuga. Cuanto más baja sea la velocidad de la torre vacía, mayor será la fuga. Como resultado, una parte del líquido fluye hacia las placas inferiores de la torre sin entrar en contacto con los gases que ascienden. Los componentes de bajo punto de ebullición, que no deberían permanecer en el líquido, no se evaporan, lo que reduce la eficiencia de las placas de la torre. Por lo tanto, la velocidad mínima de vacío adecuada para el funcionamiento eficaz de las placas de columna está determinada por la cantidad de líquido que se escapa. En condiciones normales de operación, se exige que la cantidad de líquido que escapa no supere el 10% de la cantidad de líquido presente en las placas. El volumen de las fugas también es una de las características que se utilizan para evaluar el rendimiento de las placas de la torre. Las placas de tamiz, las placas de válvulas flotantes y las placas linguales tienden a presentar fugas con facilidad cuando la velocidad del gas ascendente en la torre es baja. 19. ¿Qué es la flexibilidad operativa? Respuesta: La elasticidad operativa se refiere al rango que va desde el valor mínimo permitido para la velocidad del gas ascendente (límite inferior de carga) hasta el valor máximo permitido (límite superior de carga). Cuando la velocidad del gas ascendente varía dentro de este rango, la torre de destilación puede mantener un funcionamiento normal, logrando un nivel adecuado de separación. Como ya se mencionó, el límite superior de carga para la torre de destilación se determina por la condición de que la cantidad de gotas de líquido arrastradas por el vapor ascendente no supere el 10 % del caudal de vapor ； El límite inferior de carga se establece en que la cantidad de líquido que se escapa desde la placa no supere el 10% del caudal de líquido. En general, las torres de válvulas flotantes tienen la mayor flexibilidad operativa; algunos ensayos indican que la relación entre el límite superior e inferior de carga puede alcanzar aproximadamente 7–9. Le siguen las torres de campanas, y las torres de placas perforadas son las menos flexibles. Cabe señalar que, cuando cambia la velocidad del gas ascendente, la eficiencia de las placas de la torre también cambia, lo que provoca variaciones en el efecto de separación. 20. ¿Qué es el fenómeno de recirculación? Respuesta: En las placas de torre con descargadores, el líquido atraviesa la placa en contracorriente con el gas, y la concentración de los componentes volátiles en el líquido disminuye gradualmente a lo largo de la dirección del flujo. Pero cuando el gas ascendente hace que el líquido en las placas de la torre forme remolinos, el líquido de alta concentración y el de baja concentración se mezclan, alterando la variación de concentración del líquido a lo largo de la dirección del flujo. Este fenómeno se conoce como fenómeno de retromezcla. El fenómeno de retromezcla puede causar una disminución en el efecto de separación. La aparición del fenómeno de mezcla inversa está influenciada por muchos factores, como el tiempo de retención, la circulación del líquido, la longitud de los canales de flujo, la nivelación de las placas de la torre y el gradiente hidráulico. 21. ¿Qué es el balance de materiales? ¿Cuál es la importancia del balance de materiales en las operaciones de destilación? Respuesta: El balance de materiales es la aplicación de las leyes de conservación de la masa y de los cambios de estado en la industria química. Para cualquier proceso de producción, en términos de peso, la cantidad de material transformado debe ser la suma de la cantidad de producto generado y la cantidad de material perdido. A través del balance de materiales, se puede conocer cómo se transforman las materias primas en productos y cuál es el monto de las pérdidas, con el fin de encontrar formas de mejorar la situación. El balance de materiales es aplicable tanto al proceso completo como a alguna de sus etapas ； Se puede hacer un balance de todas las sustancias que participan en el proceso, o también se puede hacer un balance de cualquier componente en particular. Para un operador, conocer en todo momento el equilibrio de materiales en la torre de destilación es un requisito fundamental y esencial. Si no se controla bien el equilibrio de materiales, una posibilidad es que haya demasiada materia prima de entrada y poca extracción ； Otra opción es utilizar menos insumo y extraer más. Ninguna de estas dos situaciones es una operación normal, y afectan la calidad y la cantidad del producto. Por lo tanto, para que la torre de destilación funcione en las mejores condiciones, con el fin de mejorar la calidad y cantidad del producto, reducir el consumo energético y disminuir las pérdidas durante el proceso de transformación, es necesario realizar regularmente cálculos de balance de materiales y ajustar las operaciones en la práctica. 22. ¿Cuál es la posición más adecuada para la placa de alimentación? Respuesta: La posición más adecuada para la placa de alimentación es aquella que, bajo las mismas condiciones operativas y con el mismo número teórico de placas, permite una mayor capacidad de separación. También puede ser la posición en la que se necesita el menor número de placas teóricas para lograr los mismos resultados bajo esas mismas condiciones operativas. En la industria química, la mayoría de las columnas de destilación cuentan con dos o más placas de alimentación. La posición de estas placas se ajusta en función de los cambios en la composición de la materia prima a ser procesada. Cuando la proporción de componentes ligeros en la mezcla de alimentación es más baja de lo normal, se debe desplazar hacia abajo la posición de las placas de alimentación, a fin de aumentar el número de placas en la sección de destilación y, así, mejorar su capacidad de separación. Por el contrario, si la posición de la placa de alimentación se eleva, se busca aumentar el número de placas en la sección de destilación, con el fin de mejorar su capacidad de separación. En resumen, el contenido del componente ligero en los componentes de alimentación en la placa de alimentación debe ser menor que el contenido de dicho componente en la última placa de la sección de destilación, y mayor que el contenido del mismo componente en la primera placa de la sección de extracción. De esta manera, se evita que la carga de material perturbe la composición del mismo en las diferentes capas de las placas de la torre, lo que permite un funcionamiento estable. 23. ¿Qué es la eficiencia de las placas de destilación? Respuesta: En la operación real de una torre de destilación, debido a las limitaciones relacionadas con el tiempo de transferencia de masa y el área de contacto entre las fases, no se puede alcanzar un estado de equilibrio entre gas y líquido. Es decir, la concentración de los componentes de bajo punto de ebullición en el vapor que se encuentra en las placas de destilación es menor que la concentración de esos mismos componentes en el vapor cuando está en equilibrio con la fase líquida. Por lo tanto, la eficacia de una placa de destilación real siempre es menor que la de una placa teórica. Partiendo de este concepto, la eficiencia de las placas puede expresarse como la relación entre el número teórico de placas y el número real de placas. Los factores que afectan la eficiencia de las placas de destilación son, principalmente: (1) la velocidad de intercambio entre la fase gaseosa y la fase líquida ； (2) Grado de mezcla entre las fases gaseosa y líquida en la placa de torre ； (3) Cantidad de gotas líquidas arrastradas por el vapor ascendente hacia las placas superiores de la torre, y cantidad de líquido que se escapa de dichas placas. Los tres factores mencionados anteriormente también están influenciados por el diseño y disposición de las placas de tanque, las condiciones de operación, así como las propiedades físicas de la materia prima a tratar. El diseño y disposición de las placas de la torre incluyen: las dimensiones geométricas de las placas, la distancia entre ellas, la altura del borde de desbordamiento, la tasa de perforación, y la disposición de los orificios para el paso del gas. Las condiciones de operación incluyen: la velocidad del vapor ascendente, el tiempo de retención del líquido en las placas de la torre, la temperatura y la presión, entre otros. Las propiedades físicas de los materiales incluyen: la volatilidad relativa, la viscosidad y el peso específico del vapor y del líquido, el coeficiente de difusión y la tensión superficial, entre otras. Cabe señalar que las propiedades físicas de los materiales varían según la temperatura y la presión de operación en la torre. En la producción, al elegir el tipo de placa de la torre, estas deben cumplir con los siguientes requisitos: (1) Alta eficiencia de la placa ； (2) Gran capacidad de producción: es decir, se permite una carga elevada en las fases líquida y gaseosa, lo que permite que torres de menor tamaño puedan llevar a cabo tareas de producción de mayor magnitud ； (3) Operación estable, buena flexibilidad de manejo ； (4) Resistente desde el punto de vista económico, consume poco acero ； (5) Fácil de operar y mantener. 24. ¿Qué es la altura equivalente del relleno? Respuesta: La altura equivalente del relleno también se conoce como la altura de placa equivalente del relleno. Es la altura de relleno necesaria para lograr el mismo grado de separación que un plato teórico; también se puede describir como la altura de relleno equivalente a la función de un plato teórico. 25. ¿Qué es la densidad de rociado del relleno? Respuesta: La densidad de rociado del relleno también se conoce como velocidad másica del líquido. Cantidad de masa de líquido en kilogramos que se rocía por hora sobre cada metro cuadrado de la sección transversal de la torre. 26. ¿Qué es la cantidad de líquido retenido en la capa de relleno? Respuesta: Durante el funcionamiento de la capa de relleno, la cantidad de líquido que se acumula en los espacios entre los elementos del relleno y sobre su superficie se denomina cantidad de líquido retenido. Su unidad de medida es (m³ de líquido/m³ de volumen de la torre). La cantidad de líquido retenido puede dividirse en dos partes: (1) Cantidad de líquido retenido en estado estático: Es la cantidad de líquido que permanece dentro de la torre una vez que se detiene el rociado de líquido y cesa la caída de gotas. La cantidad neta retenida depende únicamente de las características del relleno y de las propiedades del líquido, e independientemente de la cantidad de líquido rociado. (2) Cantidad de retención dinámica: La cantidad de líquido que se evacúa después de que la torre de relleno deja de rociar líquido se denomina cantidad de retención dinámica. La cantidad de movimiento está relacionada no solo con las propiedades del material de relleno y del líquido, sino también con la densidad de rociado del líquido. Sin embargo, por debajo del punto de carga, no depende de la velocidad del gas. La suma de la cantidad de líquido que se mantiene en estado estático y la cantidad que se mantiene en estado dinámico, es la cantidad total de líquido que se mantiene. 27. ¿Qué es una torre de llenado? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas? Respuesta: La torre de llenado cuenta con un relleno de cierta altura dentro de su estructura; se trata de un equipo de transferencia de masa en el que ocurre un contacto continuo entre el gas y el líquido. El vapor que asciende dentro de la torre fluye de abajo hacia arriba a través de las porosidades del relleno ； El líquido que queda en la parte superior de la torre fluye a lo largo de la superficie del relleno, de arriba hacia abajo. La transferencia de materia y calor entre las fases gasosa y líquida se produce mediante la formación de una delgada capa líquida en la superficie del relleno. Las ventajas destacadas de la torre de relleno son: baja resistencia al flujo del fluido, estructura sencilla, menor consumo de acero, bajo costo, facilidad en su instalación y mantenimiento, y el hecho de que el relleno puede fabricarse con materiales resistentes a la corrosión. 28. ¿Cuáles son los requisitos al utilizar rellenos? Respuesta: En primer lugar, dado que las grietas entre el relleno y las paredes de la torre son más grandes que las grietas que existen en el interior del estrato de relleno, el líquido tiende a fluir hacia las paredes de la torre, lo cual afecta negativamente la eficiencia de la transferencia de masa. Esto se conoce comúnmente como efecto de las paredes laterales. Se creía que, cuanto mayor era el diámetro del relleno, más severo era el efecto de las paredes laterales. En general, en las columnas de relleno se exige que la relación entre el diámetro de la columna D y el diámetro del relleno d sea mayor que 10:1. En el caso de las torres altas, el efecto de los muros laterales es aún más severo. Por lo tanto, se suele utilizar un método de llenado por etapas o se redistribuye el líquido para resolver este problema. En general, una relación adecuada entre la altura H del relleno y el diámetro de la torre de llenado es de 2 a 6. En segundo lugar, también hay requisitos en cuanto al orden de los rellenos. Cuando D/d es mayor que 8, es mejor colocar los rellenos de manera ordenada. Cuando el relleno está amontonado de forma desordenada, primero se debe añadir agua al interior del equipo. Luego, se coloca el relleno en el agua, para evitar que se rompa y cause obstrucciones. Una vez que el relleno está colocado, se puede verter el agua. En tercer lugar, cuando la torre de llenado se detiene, se debe verificar el estado de daño y contaminación del relleno, y decidir si es necesario limpiarlo o reemplazarlo. 29. ¿Cuál es la estructura de las placas de torre con válvulas flotantes? ¿Cómo funciona? Respuesta: La torre de válvulas flotantes es un nuevo tipo de equipo para el intercambio de masa en las empresas, que se ha utilizado ampliamente en nuestro país durante más de una década. Actualmente se utiliza ampliamente en la industria petroquímica, y ha dado resultados satisfactorios. La estructura de la torre de válvulas flotantes es bastante simple; sus componentes principales son el plato receptor de líquido, los tubos de descenso del líquido, el dique de desbordamiento, las válvulas flotantes y las placas de la torre. 30. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las placas de torre con válvulas flotantes? Respuesta: Las placas de torre con válvulas flotantes combinan las ventajas de las placas de tipo burbuja y las placas porosas, al mismo tiempo que corrigen sus desventajas. Dado que la apertura de las rendijas en las placas de burbujas es fija, estas no se adaptan bien a las variaciones en la carga de vapor. A bajas velocidades de vapor, el contacto entre gas y líquido es deficiente; a altas velocidades de vapor, por otro lado, es fácil que el vapor empuje al líquido hacia afuera. Aunque las placas perforadas tienen una estructura simple y una gran capacidad de procesamiento, su flexibilidad operativa es relativamente baja. En el caso de las torres con válvulas flotantes, la apertura de las válvulas varía en función de la velocidad del vapor. A bajas velocidades de flujo, las palancas de la válvula caen automáticamente bajo la acción de la gravedad, lo que reduce las fugas. Por lo tanto, la torre de válvulas flotantes tiene una eficiencia alta y una gran flexibilidad en su operación, lo que le permite adaptarse bien a los cambios en la cantidad de material que se introduce. Los experimentos han demostrado que la relación entre su carga máxima y su carga mínima puede llegar a ser de 7 a 9. La torre de válvulas flotantes tiene una estructura simple y un área de sección libre grande; su costo es un 12–15% menor que el de las torres de tipo burbuja. Además, su capacidad de tratamiento es un 20–40% mayor que la de las placas de torre de tipo burbuja. Dado que el vapor en las placas de torre de válvulas flotantes es introducido horizontalmente en la capa líquida, se logra una mejor mezcla entre gas y líquido. Además, hay menos emulsión de espuma, un tiempo de contacto más largo y una mejor eficiencia en la transferencia de masa; su eficiencia es un 15% superior a la de las placas de torre de tipo burbuja. La principal desventaja de las placas de torre con válvulas flotantes es que el vapor se escapa a lo largo del perímetro de los orificios por donde asciende, lo que provoca una mezcla inversa con el líquido. Esto, a su vez, reduce la eficiencia en la transferencia de masa. Además, las válvulas pueden atascarse, oxidarse o pegarse, lo que afecta su funcionamiento. 31. ¿Qué efecto tienen la altura y el diámetro de la torre en el rendimiento y la calidad? Respuesta: El diámetro de la torre afecta principalmente la capacidad de producción, mientras que la altura de la torre influye principalmente en la pureza del producto. La relación entre el diámetro de la torre y la capacidad de producción se puede describir mediante la siguiente fórmula. D = (v/0.785w)¹/². En esta fórmula, D representa el diámetro de la torre, en metros ； v: Caudal volumétrico de vapor en la torre, en m³/s.
w: Velocidad del flujo en la torre vacía, en m/s. Para una torre determinada, la velocidad del flujo en la torre vacía tiene ciertas limitaciones. A una cierta velocidad de vacío en la torre, cuanto mayor sea el caudal volumétrico de vapor dentro de la torre, mayor será el diámetro requerido para la misma ； De manera similar, cuanto mayor es el diámetro de la torre, mayor es la carga de vapor que se puede manejar en ella; es decir, mayor es su capacidad de producción. Por lo tanto, el diámetro de la torre es el factor principal que afecta la capacidad de producción. La altura de la torre, una vez determinadas la eficiencia de las placas y la distancia entre ellas, determina el número real de placas de la torre. Y el número real de placas de destilación está determinado por el número mínimo teórico de placas. Cuanto mayor es el número teórico mínimo de placas, mayor también es el número real de placas. El impacto del diámetro y la altura de la torre en la producción es dialéctico, y no se puede separar por completo. Por ejemplo, al aumentar la altura de la torre, se puede reducir la relación de reflujo, lo que a su vez aumenta la capacidad de producción ； Y al aumentar el diámetro de la torre, se puede incrementar la relación de retroflujo, con el fin de reducir su altura. 32. ¿Cuáles son los factores que influyen en el proceso de destilación? Respuesta: Además de los problemas relacionados con el equipo, los principales factores que afectan el proceso de destilación son la temperatura y la presión de la torre (incluyendo la parte superior y inferior de la torre, así como algunas placas de la torre que tienen una importancia especial) ； Estado de la alimentación ； Cantidad de alimentación ； Composición de la materia prima ； Temperatura de alimentación ； Velocidad de ascenso del vapor en la torre y cantidad de calor aplicada en el caldero de evaporación ； Flujo de retorno ； Dosis de enfriamiento en la cima de la torre ； Carga de la parte superior de la torre y carga de la parte inferior de la torre. La operación de la torre consiste en ajustar estos factores que influyen en el proceso, de acuerdo con los requisitos de composición de los productos en la parte superior e inferior de la torre. 33. ¿Qué efecto tiene el cambio en la presión de operación de la torre de destilación en el proceso de destilación? Respuesta: Tanto el diseño como la operación de la torre se realizan bajo una presión determinada. Por lo tanto, en las torres de destilación, es necesario mantener constante esa presión. Las fluctuaciones en la presión de la torre tendrán los siguientes efectos en su funcionamiento. (1) En cuanto a la calidad del producto y al equilibrio de materiales, cambiar la presión de operación hará que cambie la composición del equilibrio entre las fases gaseosa y líquida en cada placa de la torre. A medida que aumenta la presión, disminuyen las sustancias de mayor peso molecular en la fase gaseosa; esto, a su vez, aumenta la concentración de las sustancias de menor peso molecular en dicha fase ； Aumenta el contenido de los componentes ligeros en la fase líquida; esto, a su vez, modifica la relación de pesos entre las fases líquida y gaseosa, lo que provoca un aumento en la cantidad de fase líquida y una disminución en la cantidad de fase gaseosa. El resultado general es que aumenta la concentración de los componentes ligeros en el destilado de la cima de la torre, pero su cantidad disminuye en relación con antes ； Aumenta la concentración de los componentes ligeros en el líquido del tanque, y también aumenta la cantidad de líquido en dicho tanque. De manera similar, a medida que la presión disminuye, aumenta la cantidad de fracciones en la parte superior de la torre, y disminuye la concentración de los componentes ligeros ； Disminuye la cantidad de líquido en el tanque, y también disminuye la concentración de los componentes ligeros. En las condiciones normales de operación, se debe mantener una presión constante. Sin embargo, si la operación no es adecuada y esto provoca un aumento en la concentración de los componentes más pesados en el producto obtenido en la parte superior de la torre, entonces se puede aumentar la presión de operación para que la calidad del producto sea adecuada. Pero en ese caso, aumenta también la pérdida de los componentes más ligeros en la fase líquida. (2) Volatilidad relativa entre los componentes: A medida que aumenta la presión, la volatilidad relativa entre los componentes disminuye, lo que a su vez reduce la eficiencia de separación. Ocurre lo mismo en sentido inverso. (3) Cambio en la capacidad de producción de la torre: al aumentar la presión y el peso específico de los componentes, aumenta también la capacidad de procesamiento de la torre. (4) Fluctuaciones de la presión en la torre. Esto causará confusión en la relación entre la temperatura y la composición. En las operaciones, a menudo utilizamos la temperatura como criterio indirecto para evaluar la calidad del producto, pero esto solo es correcto cuando la presión en la torre se mantiene constante. Cuando cambia la presión en la torre, también cambian el punto de rocío y el punto de burbujeo de la mezcla. Esto provoca cambios en la distribución de temperaturas a lo largo de toda la torre. Además, la relación entre la temperatura y la calidad del producto también se modifica. Según el análisis anterior, cambiar la presión de operación afectará al funcionamiento de toda la torre. Por lo tanto, en las condiciones normales de operación, es necesario mantener una presión constante. Solo cuando el funcionamiento normal de la torre se ve comprometido, se puede ajustar adecuadamente la presión, dentro de los límites permitidos por los parámetros del proceso, según lo indicado en el análisis anterior. Cabe señalar que, durante el proceso de destilación, los cambios en la cantidad de material de entrada, su composición y temperatura; los cambios en la cantidad de vapor utilizado para calentar el fondo de la columna; los cambios en la cantidad de material que regresa a la columna, su temperatura, así como los obstrucciones en las placas de la columna, pueden causar fluctuaciones en la presión dentro de la misma. En tales casos, es necesario analizar primero las causas de estas fluctuaciones y tomar medidas oportunas para que el funcionamiento de la columna vuelva a la normalidad. 34. ¿Qué efecto tiene el estado de la materia prima en el proceso de destilación? Respuesta: Existen cinco tipos de condiciones de alimentación: (1) Alimentación fría ； (2) Alimentación por punto de ebullición ； (3) Alimentación mixta gas-líquido ； (4) Alimentación de vapor saturado ； (5) Alimentación de vapor sobrecalentado. Para facilitar el análisis, se define δ como la cantidad de calor necesaria para que cada molécula por kilogramo del líquido de alimentación se convierta en vapor saturado; δ también representa la energía latente de vaporización por molécula por kilogramo del material de alimentación. Según la ecuación anterior, cuando el material de alimentación está frío, δ > 1; cuando el material de alimentación se encuentra en su punto de ebullición, δ = 1; y cuando se trata de un material de alimentación que es una mezcla de gas y líquido, δ = 0