La destilación flash

Los destiladores flash, o flash drum como también se les conoce, son tambores de destilación que utilizan el concepto de cambio de fase súbita para obtener una separación gas-líquido de una mezcla, por lo general, orgánica.

Esta mezcla se puede obtener en un momento del proceso industrial o químico, y se requiere una de las dos (o las dos fases por separado) para obtener un producto específico en el proceso de destilación. Este producto será el que contenga en mayor abundancia el componente de interés.

Destiladores flash horizontales. Imagen de ECN

Durante mi carrera de estudiante de ingeniería química, pude ver una unidad completa de este tipo de operaciones durante el curso de Termodinámica II. Allí, aprendimos a realizar este tipo de destilación y a diseñar los tambores de destilación instantánea (flash drum), utilizando diagramas y sistemas computarizados diseñados por nosotros mismos.

En esta nota voy a explicar de la manera más sencilla posible la importancia de este tipo de tanques y su función dentro de los procesos químicos, petroleros y petroquímicos, así como, a realizar sus cálculos rápidamente.

Tabla de contenidos

✔Ejemplo 1
✔Ejemplo 2

Definición de destilación flash

Lo primero que debemos tener claro, es qué es la destilación flash y cuáles son sus condiciones. El concepto más simple que puedo presentarles es el siguiente:

La destilación flash es un proceso de destilación que ocurre de manera instantánea o súbita. Ocurre cuando una mezcla multicomponente o binaria en equilibrio termodinámico líquido-vapor, experimenta una expansión o disminución de la presión o un cambio en la temperatura de operación. De manera, que se vaporiza inmediatamente una de las fases ocurriendo una separación instantánea, quedando los componentes más volátiles en la fase gaseosa y los más estables en la fase líquida.

Flash Drum vertical. Imagen de AAR

Es un concepto que se utiliza mucho en la industria petrolera y petroquímica para separar mezclas multicomponentes (varios compuestos orgánicos que se encuentran dentro de una solución, por lo general líquida). Aunque, este concepto también es utilizado para las más simples de éstas, las mezclas binarias.

Para lograr una destilación flash se requieren ciertas condiciones de operación. La más importante es que la mezcla multicomponente se encuentre en equilibrio termodinámico, es decir, que las condiciones de operación estén entre el punto de burbuja y punto de rocío de la mezcla. De modo, que la solución multicomponente reaccione inmediatamente ante un cambio de temperatura o presión (esta es la más utilizada) y se realice la separación de fases de manera instantánea.

Conceptos básicos de destilación flash

Punto de ebullición o de burbuja: Es aquel punto en el equilibrio líquido-vapor en donde aparece la primera gota de vapor en una mezcla líquida.

Punto de rocío: Es el punto del equilibrio líquido-vapor en donde aparece la primera gota de líquido en una mezcla gaseosa.

Flash Drum: Es un separador instantáneo. Por lo general, es un tanque simple en donde se experimenta una expansión súbita del fluido, dando origen al cambio de fase. Estos tanques de destilación pueden ser horizontales o verticales, según la cantidad de líquido que se genere en la destilación flash.

Intercambiador de calor: Es un equipo en donde se experimenta un intercambio de energía entre el fluido y un refrigerante, o fluido de intercambio térmico, con la finalidad de fomentar un cambio en la temperatura o un cambio de fase.

Importancia de la destilación flash

La importancia de este tipo de procesos es obtener la separación de la mezcla líquida, generalmente, mezclas de hidrocarburos que permiten una primera separación otorgando facilidad en el proceso de refinación. Sin embargo, va mucho más allá, ya que pueden obtenerse gases ricos en componentes volátiles, que luego pueden ser cambiados de fase para separaciones posteriores y fases de componentes muy estables, que también pueden ser separados en otros procesos y comercializados.

Destilación flash

Esquema de funcionamiento de un destilador flash. Imagen de PetroSkills

Lo primero a destacar en la teoría para lograr una destilación flash, es el requerimiento de un intercambio térmico con la mezcla, de manera que alcance una temperatura de ebullición para que el componente con mayor presión de vapor comience su cambio de fase.

La temperatura de ebullición (de burbuja), no es otra que la necesaria para que aparezca la primera gota de vapor en la mezcla líquida y el inicio del equilibrio líquido-vapor.

En condiciones ideales, esta temperatura es aquella que se alcanza cuando las presiones parciales de los componentes de la mezcla (sumadas en su totalidad) igualan a la presión de operación:

Entonces, para calcular dicha temperatura de ebullición se debe iniciar un procedimiento iterativo en donde inicialmente se asume una temperatura y luego, se calculan las presiones de vapor de cada componente de la mezcla a esa temperatura, para finalmente verificar si la presión total de operación es igual a la sumatoria representada por la ecuación anterior.

Para que una mezcla en fase líquida se encuentre en equilibrio con su fase gaseosa, las presiones parciales de sus componentes deben ser iguales o casi iguales a las presiones parciales de su fase gaseosa. Lo podemos representar así:

Tomando en consideración la Ley de las presiones parciales de Dalton y la Ley de Raoult para gases, llegamos a la siguiente igualdad:

Tomando en consideración solamente la fase gaseosa:

Para complementar, se utilizan los coeficientes K para realizar los cálculos de punto de rocío y burbuja de la siguiente manera:

Los coeficientes K se calculan entrando a unos gráficos o nomogramas, los cuales pueden encontrar en el Manual del Ingeniero Químico Perry para hidrocarburos ligeros.

Ejemplos de destilación flash

Ejemplo 1:

Una mezcla líquida de heptano-octano que contiene 35% mol de heptano, es sometida a una destilación flash a presión atmosférica y a una temperatura constante hasta que el 40% del líquido inicial pasa a la fase de vapor. Calcular:

a) Temperatura de operación
b) La composición del líquido residual y el vapor separado

Resolución:

Lo primero que hay que hacer en un ejercicio de este tipo, es visualizar la situación. Para ello, realizamos un gráfico de bloque de la situación a resolver:

Gráfico de bloque del flash drum o destilador flash del ejercicio 1

Gráfico del ejercicio 1

Con el gráfico realizado, estamos listos para comenzar a plantear la lógica del problema. Sabemos que en este tipo de situaciones de destilación flash, las composiciones del líquido residual y del vapor destilado estarán en equilibrio a la temperatura de operación (T) que es constante. Como esta temperatura se desconoce, al igual que las concentraciones en el equilibrio, se tiene que recurrir a la relación L/G, de modo que buscaremos la solución por un método gráfico.

Es momento de realizar un balance de masa para poder estimar las concentraciones del destilado y del residuo líquido:

Con las ecuaciones de balance de masa planteadas, es momento de realizar el cálculo de las masas totales que van por las corrientes de vapor y líquido, utilizando para ello la relación L/G

Para el cálculo de la temperatura de operación, se plantea un tanteo con las presiones de vapor y la presión total atmosférica asumiéndola en 760 mmHg. El procedimiento supone una temperatura, se calculan las presiones de vapor de cada componente y se verifica que:

Desarrollando esta solución numérica, el valor de la temperatura de operación es 113.8 0C, respondiendo así la primera pregunta.

Respuesta a)

T=113.8 Grados Celsius

Para los datos de equilibrio, trazamos la recta:

Luego, su intercepción nos dará los valores de equilibrio de heptano para el vapor destilado y para el líquido residual, como podemos ver en el siguiente gráfico:

Gráfico de equilibrio para el heptano del ejercicio 1

Respuesta b)

De la lectura, tenemos:

Ejemplo 2:

Se tienen 1000 Kmol/h de una mezcla benceno-tolueno al 70% mol de benceno. Se somete a una destilación flash con la finalidad de vaporizar el 50% de los moles entrantes. Si la temperatura de entrada de la mezcla es 60 0C. ¿Cuál será el calor requerido para obtener la vaporización deseada? Si el proceso es adiabático, ¿A qué temperatura debería colocarse la alimentación para lograr la separación?

Datos de equilibrio de la mezcla:

T °C	x benceno	y benceno
80	1	1
84	0.823	0.922
88	0.659	0.830
92	0.509	0.720
96	0.376	0.596
100	0.256	0.453
104	0.155	0.304
108	0.058	0.128
110.4	0.0	0.0

Resolución:

Tenemos una mezcla binaria de benceno/tolueno, con los valores de equilibrio del benceno y la fracción molar de entrada de cada uno de los elementos en la mezcla al destilador flash. También, tenemos como dato la temperatura de entrada. Entonces debemos identificar los datos:

Realizamos un gráfico que ilustre el proceso de separación instantánea con los datos del problema que tenemos disponibles, para después hacer el planteamiento de las ecuaciones:

Gráfico ilustrativo del destilador flash del ejercicio 2

Seguidamente, realizamos el planteamiento de las ecuaciones que vamos a utilizar para resolver el ejercicio. Empezamos realizando un balance de masa general, un balance de masa parcial, planteamos la línea de operación y realizamos un balance de energía:

Adicionalmente, debemos colocar las ecuaciones para calcular las entalpías.

Con todas las ecuaciones planteadas, es momento de comenzar con nuestros cálculos. Comenzaremos con la línea de operación, que quedaría de la siguiente manera:

Gráfico de equilibrio para el benceno

Como se observa en el gráfico de equilibrio, la línea negra es la línea de operación. Buscamos su intercepción con la curva de equilibrio y leemos los valores de sus coordenadas tanto para el eje x y el eje y, obteniendo los siguientes valores:

Con estos puntos coordenados, realizamos una interpolación en los datos de equilibrio para obtener la temperatura de salida del destilador flash la cual será: Tsalida = 89.4 0C.

Seguidamente, procedemos a buscar en datos bibliográficos, los valores de Cp para benceno y tolueno a la temperatura de entrada y salida, para finalmente calcular las entalpías del líquido y el vapor. Sustituyendo los datos, tenemos los siguientes resultados:

Despejando tenemos el valor del calor, Q = 4910860 Kcal/h. Este es el calor necesario para lograr la vaporización, nuestra primera pregunta ya está resuelta.

La segunda pregunta es mucho más fácil de responder. Como consideraremos el sistema adiabático, el calor transferido será cero (Q=0). Por lo tanto, sólo nos resta sustituir los valores de entalpía a la salida del flash drum y los flujos de entrada y salida, los cuales conocemos. La incógnita sería la entalpía de entrada, quedando así:

Sustituyendo este valor en la ecuación de entalpía de la mezcla y asumiendo que la alimentación se encuentra en fase líquida, tenemos lo siguiente:

Despejando, tenemos el valor de la temperatura, la cual será T=167.79 Grados Celsius, siendo esta la temperatura necesaria para lograr la separación, nuestra segunda incógnita.