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03/09/2014 operaciones unitarias 1
INTRODUCCIÓN A LADESTILACIÓN
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03/09/2014 operaciones unitarias 2
La destilación es la separación de dos componentes basados
en la volatilidad relativa. Se calienta la mezcla de forma talde evaporar al componente más liviano y este se condensaseparado del líquido remanente para evitar su mezclado
nuevamente
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F, zf
D, yD
T, P
L, xL
T, P
Destilación instantánea
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4
Diagrama Concentración -temperatura
Po = 1 atmSi M = L+V
Mz = Lx + Vy
V/M = (z-x) / (y-x)
= ML / LV
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DESTILACIÓN INSTANTÁNEA DE EQUILIBRIO
F
xFHF
Salida gases de
Combustión Vapor alcondensador
D = F.fYD , HD
Líquido defondo
W = F . ( 1 – f )XW , HW
Quemadorq [Kcal / h]
TORRE FLASH ALAMBIQUE
Por B.Global: F = D + W = F f + F ( 1 – f ) [1] P/el más volatil: F xF = F f yD + F ( 1 – f )xW = D yD + W xW [2]
03/09/2014 operaciones unitarias 5
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DESTILACIÓN INSTANTÁNEA DE EQUILIBRIO (2)
Por balance de energía:
HF + q = F f HD + F (1 – f ) HL = D HD + L HL [3]
Combinando estas ecuaciones obtenemos la relación
residuo alimentación:
L - ( YD – XF ) L YD - XF --- = ------------- = [ 4 ] D ( XF - XL ) D XL - XF
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L [ HD – ( HF + Q/F ) ] L HD – ( HF + Q/F )
D [ HF - HL + Q/F ] D HL – ( HF + Q/F )
[5 ]
F. ( 1 – f ) L YD - XF HD - ( HF + Q/F )- = - = = [6]
F . f D XL - XF HL - ( HF + Q/F )
Combinando [4] y [5] Obtenemos:
Destilación Instantánea (3)
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Destilación continua de una etapaSabemos que:
Líquidos livianos:
Líquidos pesados:
Consideremos una mezcla de doscompuestos de diferente volatilidad
Descripción del proceso. Fases. Distribución
diferencial Efectos de la T y P. Calidad de los productos.
Proceso continuo sin acumulación
Moléculas pequeñas.
Vaporizan fácilmente.Alta volatilidad.
Moléculas grandes.Dificil vaporización.Baja volatilidad.
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Alambique
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Destilación Continua de Etapas Múltiples
.Cómo obtener productos de alta pureza ( > 99.9 %).
.Columnas de destilación . Partes:
- Una columna de platos- Un condensador
- Un reboiler
- Un acumulador de reflujo
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Torre de fraccionamiento
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Torre ( flujos de vapor y de líquido)
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C
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14
Diagrama Concentración -temperatura
Po = 1 atmSi M = L+V
Mz = Lx + Vy
V/M = (z-x) / (y-x)
= ML / LV
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Mecanismos de contacto
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Accesorios internos de una columna de destilación
1. Columnas de platos
• Platos
• Distribuidor del alimento
2. Columnas empacadas• Empaque
• Platos soporte para el empaque
• Distribuidor del alimento
• Colectores y redistribuidores de líquido
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Campanas de Borboteo
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Rebosaderos y tubos de bajada
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Platos y Equipos Auxiliares
DIFERENTES TIPOS DE PLATOS. Vertederos y tubos de comunicación entreplatos.
Funcionamiento de válvulas y campanas de
borboteo. Caída de presión en un plato y en toda la torre. Velocidad del vapor y tamaño de las burbujas. Rendimiento del plato . Gradiente del plato.
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Plato de una columna de destilación
http://www.patagoniavessels.com.ar/petrolera.htm
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Plato
perforado
Plato concanalones
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Equipos exteriores de una columna de destilación
1. Rehervidor, ebullidor o calderín
Intercambiador de calor que proporciona la energía a lacolumna para mantener las corrientes de líquido y vapor enestado de saturación.
CLASES DE REHERVIDORES SEGÚN EL INTERCAMBIA-DOR USADO Y LA LOCALIZACIÓN EN LA COLUMNA
• Chaquetas de calentamiento en la parte inferior de la columna
• Intercambiador tubular interno en el fondo de la columna
• Intercambiador tubular externo
* Cuando se va a destilar una mezcla acuosa, donde el agua esel componente pesado, se usa vapor vivo para elcalentamiento.
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Clases de rehervidores según el funcionamiento
a) Rehervidor parcial b) Rehervidor total
Vapor decalentamiento
Vapor decalentamiento
L N
W
V N+1
W
L N
V N+1
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2. Condensador Intercambiador tubular que condensa el vapor que llega ala parte superior de la columna. El vapor condensadoretorna a la columna como reflujo y lo demás se retiracomo destilado.
Clases de condensadores según el funcionamiento
Agua de
enfriamien-
to
V1
Lo
DV1
Lo D
Agua deenfriamien-
to
a) Condensador parcial b) Condensador total 03/09/2014 operaciones unitarias 24
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3. Acumulador de reflujo
Tanque que recibe la corriente proveniente del
condensador. El acumulador permite una holgura
operacional que puede mantener en funcionamiento la
columna cuando se presentan problemas con el
condensador.
* Existen columnas complejas donde se presenta
alimentación múltiple, varias salidas laterales de productos, y donde pueden haber condensadores y
rehervidores intermedios a lo largo del equipo.
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Ó
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LPG
PROPILENO
PROPANO
LIVIANOS
PROPILENO + PROPANO
VAPOR
CARRIER
199
47
1
1
DESETANIZADORA C3 SPLITTER
TREN DE DESTILACIÓN
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TORRES
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F, zF
V1, y1
V2, y2
V3, y3
L1, x1
L2, x2
L3, x3
. . . D, yD1
. . . W, xW1
La destilación fraccionada vista como destilaciones
instantáneas en serie
03/09/2014 operaciones unitarias 30
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Ln-1
Tn-1, Pn-1
Ln
Tn, Pn
Vn+1
Tn+1, Pn+1
Vn
Tn, Pn
Etapa n
Tn , Pn
Etapa de equilibrio en una columna de destilación
03/09/2014 operaciones unitarias 31
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Esquema general de una columna de destilación
Destilado (D) Reflujo (Lo)
Alimentación (F)
Residuo (W)
Acumulador de Reflujo
Condensador
Rehervidor
V L
Zona deenriquecimientoo rectificación
Zona deempobrecimiento
o despojamiento
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Determinación de las cargas térmicas en el condensador yen el rehervidor - Balances de materia y entalpía
D, y D, H D Lo
xo
H Lo
F, z F , H F
W, x W , H W
Condensador
Rehervidor
V 1, y 1, H V1 QD
QW
QP
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03/09/2014 operaciones unitarias 34
Temperatura y Presión
• Presión y punto de ebullición.• Productos Termosensibles
• Destilación al vacío.
• Dispositivos de protección de la columnapor presión.
• Presión normal y presión de alivio
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03/09/2014 operaciones unitarias 35
Temperatura Composición de un producto y Tb. Valores
normales. Significado de los cambios de temperatura. Implicancias del T entre cabeza y fondo. Implicancias de > Q en el Reboiler :
– Aumento de T en todos los platos. – Mayor caudal de destilado. – Mas pesados por cabeza.
Implicancias de > reflujo: – Baja la temperatura de todos los platos.
– Aumenta el caudal de producto de fondo. – Mejora la calidad del producto de cabeza. – El producto de fondo tendrá mas livianos.
Presión
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03/09/2014 operaciones unitarias 36
Presión
Una vez determinada para la operación normal nose cambia.
Todo cambio en la presión afecta la calidad delos productos Debe mantenerse un control riguroso de la
misma.
Regímenes de Flujo. Se deben mantener bajo riguroso control. Toda alteración determina cambios en la
composición de los productos y en las variablesde la torre.
Al cambiar el flujo de carga hacia la torre, secambia la temperatura de cabeza. La carga esuna fuente de energía negativa
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03/09/2014 operaciones unitarias 37
Balance de materiales
En operación normal no hay acumulación.
El material que entra como carga sale comoproducto de cabeza y de fondo. todos loscomponentes de la alimentación estan
sujetos al principio de conservación
Elementos de control Control automático de los procesos de destilación Ejemplo de control- caso del flotante.Variable
controlada y variable de control. Esquema típico de control de una columna.
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Parámetros importantes que definen el grado deseparación de una mezcla en una columna dedestilación
1. Relación de reflujo externa, R = Lo / D2. Relación de reflujo interna, L / V3. Número de etapas teóricas o unidades de transferencia
Métodos simples para calcular parámetros de separaciónen sistemas binarios
1. Método de Sorel2. Método de McCabe - Thiele
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MÉTODO DE SOREL o METODO DE ETAPAS
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Datos: P, F, yD, xB, R/D, Condensador.
Objetivo: Determinar Nº de etapas.
Balance de M : LR + V2 = L1 + V1
Balance de E : LR hR + V2 H2 =
L1 h1 + V1 H1
Variables desconocidas : L1, V2 , H2Se asume : H2 = H1
Verificación :
LR xR + V2 y2 = L1 x1 + V1 y1
y2 = (L1/ V2) x1+ (V1 y1 - LR xR)/ V2
Conocidas V2 y T2 H2
· Se repite el cálculo hasta el Plato de la carga.
MÉTODO DE SOREL o METODO DE ETAPAS
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MÉTODO DE SOREL 2
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Para la zona de stripping:
Se parte del reboiler, se hace el balance de materia y energía
ym = xm+1. (R+Lf)/(R+D-Vf) – xb* B/(R+D-Lf)
Se parte de la relación de equilibrio del reboiler
Se supone la temperatura y se calculan la composición del
líquido y del vapor considerando que ya+yb =1
Se repite el cálculo hasta el plato de carga
MÉTODO DE SOREL 2
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MÉTODO DE SOREL_3
•· El punto óptimo coincidirá con el de
una corriente interna de igual composición.
•· La contribución de la alimentación debe tenerse
en cuenta en los balances .
•· En la parte inferior la fórmula incluirá un término
relativo a la alimentación.
•· Los cálculos continúan hasta encontrar una
corriente de vapores que esté en equilibrio con el
producto de fondo.
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Método de McCabe - Thiele
Restricción para su aplicación
Pérdidas de calor o calores de disolución pequeños
Suposiciones simplificadoras usuales
- El flujo molar líquido es constante en cada una de laszonas de la columna
- La relación L / V es constante para cada una de laszonas
Casos de aplicación
Sistemas de isómeros con puntos de ebullición cercanos
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Desarrollo del método de McCabe - Thiele
Zona de enriquecimiento (condensador total)
D, y D Lo, x 0
1
2
n
V 1, y 1
L1, x 1
L2 , x 2
Ln , x n
V 2 , y 2
V n, y n
V n+1, y n+1
Lo = L1 = L2 = ...= L
V1 = V2 = V3 = ...= V
Balance global de materia
V = L + D (1)
Balance del componente
más liviano
yn+1 V = xn L + yD D (2)
Relación de reflujo
R = Lo / D (3)
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7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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A partir de las dos primeras ecuaciones anteriores se obtiene:
yn+1 = (L / V) xn + (D / V) yD (4)
Y considerando la relación de reflujo:
yn+1 = R / (R+1) xn + 1 / (R+1) yD (5)
Evaluando n = 0 y calculando el intercepto para una relación
de reflujo conocida, se tienen dos puntos que permiten
construir la línea de operación para la zona de
enriquecimiento. La pendiente de la línea de operación es L /
V (relación de reflujo interno)
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7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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x0 x
y
y D / (R+1)
Pendiente = L / V
Representación gráfica de la zona de enriquecimiento
03/09/2014 operaciones unitarias 45
Di C C C T l i d
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03/09/2014 operaciones unitarias 46
Diagramas C – C y C –T relacionados
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Zona de despojamiento (rehervidor parcial)
LN = LN-1 = LN-2 = ...= L’
VN = VN-1 = VN-2= ...= V’
Balance global de materia
L’ = V’ + W (6)
Balance del componente másliviano
xN-3 L’ = yN-2 V’ + xW W (7)
W, x W
LN-3 , x N-3 N-2
N-1
N
V N-2 , y N-2
LN-2 , x N-2
LN-1, x N-1
LN , x N
V N-1, y N-1
V N , y N
V N+1, y N +1
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A partir de las ecuaciones (6) y (7) se obtiene:
yN-2 = (L’ / V’) xN-3 - (W / V’) xW (8)
Evaluando en N+1 (rehervidor) se tiene que xW está en
equilibrio con yN+1 y por medio de la gráfica de equilibrio se
puede llegar a xN y así tener un punto sobre la línea de
operación de la zona de despojamiento.
Ahora si podemos construir la línea de operación de la zona
de despojamiento ?
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7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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xW
x
y
y N+1
x0
?
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7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Estado termodinámico de la alimentación
L
HL, f-1
V
HV, f
L’
HL’, f
V’
HV’, f+1
F
Hf
Balance global de materia
F + L + V’ = L’ + V (8)Balance global de entalpía
F HF + L HL, f-1 + V’ HV’,f+1 = L’ HL’, f + V HV, f
Considerando que las entalpías de losvapores saturados son similares, eigualmente las de los líquidos saturados, eneste plato de alimentación, se tiene:
F HF + HL (L - L’) = HV (V - V’) (9)
Combinando (8) y (9):
(L’ - L) / F = (Hv - HF) / (HV - HL) = q (10)
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Conociendo el valor de q se halla L’ (ec. 10) y
con este dato se calcula V’ (ec. 6), y ya se puede
calcular el intercepto o la pendiente de la líneade operación para la zona de despojamiento.
Actividad
Determinar la ecuación de la línea de
alimentación:
y = (q / (q-1))x - xF / (q-1)
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f
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Representación gráfica de la zona de despojamiento
xW
x
y
y N+1
x0
z F
Rehervidor
1
2
3
4 Línea de despojamiento
Línea de enriquecimiento
Línea de alimentación
El número de etapasteóricas es un
concepto
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03/09/2014 operaciones unitarias 53
L
HL, f-1
V
HV, f
L’
HL’, f
V’
HV’, f+1
F
Hf 1. Líquido subenfriado q 1.0
Posibles estados termodinámicos de la alimentación
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03/09/2014 operaciones unitarias 55
L
HL, f-1
V
HV, f
L’
HL’, f
V’
HV’, f+1
FHf
L
HL, f-1
V
HV, f
L’
HL’, f
V’
HV’, f+1
F
Hf
4. Vapor saturado q = 0
5. Vapor sobrecalentado q < 0
L li ió ó ti d l l t d li t ió
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Localización óptima del plato de alimentación
1. Para un número determinado de etapas es con el que selogra la mayor diferencia entre yD y xW.
2. Si no se especifican el número de etapas, es el que permiteuna determinada separación con el menor número de etapas.
Número mínimo de etapas
Cuando la columna trabaja a reflujo total. No hay alimentación,ni salidas de destilado ni de fondos durante la operación de la
columna.
Reflujo mínimoCuando la línea de operación de la zona de enriquecimientointersecta la curva de equilibrio y se requiere una cantidad
infinita de etapas.
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Nú í i d t
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xW
x
y
x0
Número mínimo de etapas
03/09/2014 operaciones unitarias 57
R fl j í i
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 58/139
Reflujo mínimo
xW
x
y
x003/09/2014 operaciones unitarias 58
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 59/139
Relación óptima de reflujo
Rm R
Costos totalesCostos operacionales
Costos fijos
R = A Rm
A está entre 1.1. Y 1.503/09/2014 operaciones unitarias 59
Efi i i d l t
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 60/139
Eficiencia de las etapas
Eficiencia de plato de Murphree para la fase de vapor:
h = (yn - yn-1) / (yn* - yn-1)
03/09/2014 operaciones unitarias 60
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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TECNICAS ESPECIALES DEDESTILACION
1.- SEPARACIÓN DE MEZCLASMULTICOMPONENTES
2.- DESTILACION EXTRACTIVA Y AZEOTROPICA
3.- DESTILACION POR ARRASTRE DE VAPOR
03/09/2014 operaciones unitarias 61
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Propiedades de las mezclas empleadas endestilaciones “normales”
* Volatilidad relativa > 1.05
* No se forman azeótropos
* No se descomponen ni polimerizan
* Todos los componentes se vaporizan a P y T normales
* Operación en continuo
03/09/2014 operaciones unitarias 62
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Operaciones Unitarias
Métodos aproximados y rigurosos para el
diseño de columnas de destilación de
sistemas multicomponentes
03/09/2014 operaciones unitarias 63
SEPARACION DE MEZCLAS
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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SEPARACION DE MEZCLASMULTICOMPONENTES
A.Equilibrio entre fases.
B. Destilación de flash.
C. Fraccionamiento
* Limitaciones de las especificaciones
* Métodos de cálculo (Rigurosos y Abreviados)
* Componentes clave
* Secuencias de separación
03/09/2014 operaciones unitarias 64
Equilibrio entre fases en mezclas
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Equilibrio entre fases en mezclasmulticomponentes
Se utilizan balances de materia y entalpía y datos deequilibrio líquido-vapor.
Para cada componente se puede aplicar un balance a todoel sistema y a cada una de las etapas.
Hay un balance entálpico para la columna y para cada
etapa.
Los equilibrios son complejos debido al número decomponentes y a su variación con la temperatura en cadaetapa.
03/09/2014 operaciones unitarias 65
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Coeficiente de
distribucióni
ii x
y
K
0
iii P x P
T ii P y P
Ley de Raoult para un componente
Ley de Dalton para un componente
T
i
i P
P
K
0
j
i
j
i
j
j
i
i
ij K
K
p
p
x
y
x y
0
0
Volatilidad
relativa
Varía mucho
con la Tª
Varía poco
con la Tª03/09/2014 operaciones unitarias 66
Mezclas multicomponentes:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Mezclas multicomponentes:
n
i y11 1
n
ii x1 1
11
0
n
iT
ii
p p x
11
0
n
ii
T i
p
p y
Ley de Raoult
Ley de Dalton
03/09/2014 operaciones unitarias 67
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 68/139
Determinación de la
temperatura de burbuja
Determinación de la
temperatura de rocío
n
i
n
i
iii x K y1 1
1
n
i
n
i i
ii K
y x
1 1
1
En ambos casos se tantea la Tª:
Datos: xi, P
Incógnita: T
Suponer T burbuja Estimar K = f(P,T b)Calcular
yi = K ixi
1 i y
T = Tb
NO SI
03/09/2014 operaciones unitarias 68
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Destilación de flash de mezclasbinarias
x
f
f
f
x y F
1
LxVy Fx F Balance a la cámara
Fracción vaporizada
Recta en el diagrama de equilibrio
F V f /
Pendiente V L f
f /
1
03/09/2014 operaciones unitarias 69
Valores de (1 f)/f
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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xF
L+V
y
x
f = 1 L=0
f = 0 V=0
*
Valores de (1-f)/f
y
x
L/V
03/09/2014 operaciones unitarias 70
D til ió d fl h l
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Destilación de flash en mezclasmulticomponentes
F
xFi
T0
P1
T0
Q
P1
T1
P2
T2
V
yi
L
xi
Intercambiador
C á m a r a d e f l a s h
B o m b a
03/09/2014 operaciones unitarias 71
D til ió Fl h d l lti t
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Destilación Flash de mezclas multicomponentes
i Fii x f
f
f
x y
1Para componente
Como están en equilibrio
1
1 f
x
x
f K
x
y
i
Fii
i
i
Despejando xi
sumando para los
n componentes
n
i
K f
xn
i
ii
Fi x1
111
1
Se resuelve por iteración, suponiendo distintos valores de Tª
03/09/2014 operaciones unitarias 72
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Fraccionamiento de mezclas multicomponentes
Limitaciones de las especificaciones
Igual que en mezclas binarias:
-Se supone que las etapas son ideales y después se corrige
con la eficacia.
- Se estudian las condiciones límite de reflujo máximo y
mínimo para la aproximación del número de etapas.
- En diseños preliminares se suponen flujos molares ctes y
y volatilidades relativas αij independientes de la Tª (medios
para toda la columna).03/09/2014 operaciones unitarias 73
Diferencias con las mezclas binarias:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Diferencias con las mezclas binarias:
- Si se considera que los K (y por tanto las α) varían con la
Tª (diferente para cada plato) es necesario hacer un tanteo para calcular la Tª y las composiciones de cada uno de los
componentes en cada etapa Métodos rigurosos
Especificaciones en mezclas binarias:
Conocido: F, xF, TF, α , η
Impuesto: P, L/V, xD, xW
Calculado: D, W, NPT, NPR, Plato de alimentación
Necesidades de calefacción y refrigeración.
03/09/2014 operaciones unitarias 74
Limitación de las especificaciones en
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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pcolumnas para mezclas multicomponentes
Información que siempre se debe tener:
- Datos de equilibrio- Eficiencia de los platos
- Condiciones del alimento
- Presión en la columna
De los siguientes parámetros el diseñador especificará tres:
- N
- L/V- L´/V´
- Concentración de componentes (máximo 2) en un producto- Separación de componentes (Di /wi) (máximo 2)
- D / W.
03/09/2014 operaciones unitarias 75
Métodos de cálculo para fraccionamiento
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 76/139
Métodos de cálculo para fraccionamientode mezclas multicomponentes
– Métodos rigurosos
Lewis y Matheson
Thiele y Geddes
– Métodos abreviados (cortos)
Geddes-Fenske-Underwood-Gilliland-Kirkbride(diseño)
Edminster (simulación)
?F P
Problemas de diseño
ParamF ?
Problemas de simulación
03/09/2014 operaciones unitarias 76
Forma de operar en métodos rigurosos
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 77/139
p g
- Se supone un xwi
- Se realizan balances de materia y energía plato a plato hacia arriba
- Se hace lo mismo partiendo de xDi, recorriendo la torre hacia abajo
- Se va avanzando en cada caso, hasta que las composiciones
coincidan en un punto con la de la alimentación con un errorinferior a un límite fijado.
- Si no se consigue, se supone otra xWi.
- Finalmente se calcula el diámetro para la parte superior e inferior
de la torre.
- Se comprueba si los valores dados a PS y PI son adecuados
(pérdidas de carga debida a los platos obtenidos) y si no, se corrigen
y se tantea de nuevo.03/09/2014 operaciones unitarias 77
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Especificaciones en mezclas multicomponentes(métodos rigurosos):
Conocido: F, xFi, TF, αij, η
Impuesto: PS, PI, L/V en cabeza, xDi
Calculado: D, W, NPT Sup. e Inf., NPR, Plato de alimentación
En cada etapa: xi, yi, T, V, L
Necesidades de calefacción y refrigeración.
03/09/2014 operaciones unitarias 78
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 79/139
Distribución de componentes en destilado y residuo:
Alimentación Destilado Residuo
_____________ ________ _______ A A B ( clave ligero, LK )
B B C
---C C D
( clave pesado, PK ) D
03/09/2014 operaciones unitarias 79
CLAVE LIGERO (LK): Especificación de destilado
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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CLAVE LIGERO (LK): Especificación de destilado
CLAVE PESADO (PK): Especificación de colas
NO CLAVE LIGERO (NLK): Componentes más volátiles que LK
NO CLAVE PESADO (NPK): Componentes más pesados que PK
COMPONENTES “SANDWICH”: Volatilidad intermedia LK y PK
COMPONENTES DISTRIBUÍDOS: Se encuentra en cabezas y colas
(LK, PK y Sandwich)
COMPONENTES NO DISTRIBUÍDOS: Se encuentran sólo en un producto
(NLK y NPK)03/09/2014 operaciones unitarias 80
Tipos de componentes
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 81/139
Clave pesado (PK)Es el componente de menor volatilidad relativa entre los
compuestos que salen por el destilado y que se halla en unacantidad significativa (mayor al 2%)
Clave ligero (LK)Es el componente de mayor volatilidad relativa entre los
compuestos que salen por el fondo y que se encuentra enuna cantidad significativa (mayor al 2%)
Componente de referenciaEl componente clave pesado es el componente de referencia
Tipos de componentes
03/09/2014 operaciones unitarias 81
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 82/139
Para el diseño de columnas de destilación
multicomponente:
1. Método de grupo de Smith - Brinkley (SB)
2. Método de Fenske - Underwood - Gilliland (FUG)
3. Método de grupo de Kremser
étodos aproximados
03/09/2014 operaciones unitarias 82
1 Método de grupo de Smith Brinkley (SB)
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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1. Método de grupo de Smith - Brinkley (SB)
Características
- Útil para evaluar el comportamiento de columnas ya existentes
- Funciona bien cuando se tiene un rehervidor parcial o hay una
entrada de calor por el fondo
- Se debe conocer el número de platos totales
- Sirve para encontrar el plato óptimo de alimentación cuando se
especifican los requerimientos de recuperación
- Sirve para calcular las composiciones de los productos cuando sehan especificado el plato de alimentación y el flujo de los productos
- El empleo de valores de k eficaces es muy útil cuando los
coeficientes de distribución varían mucho a lo largo de la columna03/09/2014 operaciones unitarias 83
Algoritmo para el caso en que se conoce el plato de alimentación y serequieren las composiciones de los productos
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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requieren las composiciones de los productos
Datos del problema
1. Número de platos totales de la columna, N (si el condensador es
parcial se le suma 1)
2. Número total de platos de la zona de despojamiento (incluyendo el
rehervidor parcial), M3. Relación de reflujo, R
4. Relación de reflujo interna para la zona de enriquecimiento, L / V *
5. Flujo del destilado, D
6. Especificación total del alimento (Pf, Tf, zf, F)
* L y V son valores eficaces que se van a considerar constantes, al igual que
L’ y V’ para la zona de despojamiento 03/09/2014 operaciones unitarias 84
Procedimiento
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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1. Con R y L / V se calculan L y V
2. Con L y V se calculan L’ y V’ (cómo?)
3. Se supone una composición para D y W y se calculan TD y TW (TD es la Tr
del destilado, y TW es la temperatura de burbuja de los fondos)
4. Se calculan las temperaturas eficaces, Tn y Tm, para las zonas deenriquecimiento y despojamiento, respectivamente:
Tn = (T1 + Tpf )/2 y Tm = (TN+1 + Tpf )/2 (Tpf : Temp. aliment.)
5. Se hallan ki = f(Tn) y ki’ = f(Tm)
6. Se calculan los factores de separación, Sni y Smi, para las zonas de
enriquecimiento y despojamiento, respectivamente:
Sni = kiV/L Smi = ki’V’/L’ 03/09/2014 operaciones unitarias 85
7. Si la alimentación es básicamente líquido:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 86/139
hi = ((ki’ L) / (ki L’)) (1 - Sni ) / (1 - Smi)
Si la alimentación es básicamente vapor:hi = (L / L’) (1 - Sni ) / (1 - Smi)
8. Se determina la fracción del componente i que sale por los fondos:
f i = (W xWi) / (FzFi)
9. Se compara el valor de f i calculado en (8) con::
((1 + SniN-M) + R (1 - Sni)) / ((1 - Sni
N-M) + R (1 - Sni) + hi SniN-m (1 - Smi
M+1))
Si los dos valores no son iguales se regresa al paso 3 y se repite el
procedimiento hasta que los valores se han iguales en la cuarta cifra decimal.
03/09/2014 operaciones unitarias 86
Conceptos importantes usados por los métodos de cálculo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 87/139
de columnas de destilación multicomponente
Clave pesado (hk)Es el componente de menor volatilidad relativa entre los compuestosque salen por el destilado y que se halla en una cantidad considerable(mayor al 2%)
Clave ligero (lk)Es el componente de mayor volatilidad relativa entre los compuestosque salen por el fondo y que se encuentra en una cantidadconsiderable (mayor al 2%)
Componente de referencia
El componente clave pesado es el componente de referencia
Cómo es la volatilidad relativa de los componentes más pesados que el
clave pesado?, y la de los componentes más ligeros que el clave ligero?
03/09/2014 operaciones unitarias 87
Verificación de la elección de los componentes clave
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 88/139
A partir del hecho de que se requiere un número infinito de etapas
para excluir totalmente del destilado los componentes más pesadosque el clave pesado, y así mismo, de los fondos los más ligeros que elclave ligero, Shiras et al (Ind. Eng. Chem., 42, 871 (1950)) mostró quepara una relación de reflujo mínima Rm se debe cumplir:
Ai = yDi / zFi = ((i - 1)/(lk - 1)) (yDlk / zFlk) + ((lk - i)/(lk - 1)) (yDhk /zFhk)
- Si A < -0.01 o A > 1.01 probablemente el componente i no sedistribuirá
- Si 0.01 < A < 0.99 seguramente el componente i se distribuirá
Los componentes clave se distribuyen entre el destilado y los fondos
Qué sucede con los demás componentes?03/09/2014 operaciones unitarias 88
2. Método de Fenske - Underwood - Gilliland (FUG)
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 89/139
Características
- Útil fundamentalmente para el diseño de columnas, aunque también
sirve para evaluar el comportamiento de columnas ya existentes
- Parte del conocimiento de la localización óptima del plato de
alimentación
- Supone flujos molares constantes (el Rm calculado es mucho menor
que el Rm real)
- Sirve para calcular los flujos y las composiciones de los productos
cuando se han especificado los requerimientos de recuperación de unoo máximo dos componentes
- Se pueden determinar las temperaturas del tope y del fondo de la
columna03/09/2014 operaciones unitarias 89
Ecuación de Fenske
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 90/139
Determina el valor de Nm (a reflujo total). Nm incluye el rehervidor
parcial, si la columna tiene un condensador parcial se le suma 1.
(xi / xhk) = iNm (xWi / xWhk)
ó
Nm = log((DyDlk / WxWlk) (WxWhk / DyDhk)) / loglk lk es un valor eficaz
lk = (Nlk N-1lk ... 2lk 1lk)1/N ó lk = (Dlk pflk Wlk)1/3
ó lk = (Dlk Wlk)1/2
Como una aproximación se puede tomar Nm como el 40 o 60% de N y
suponiendo separaciones de los componentes iterativamente se pude llegar
a estimar los valores iniciales de las temperaturas en los extremos03/09/2014 operaciones unitarias 90
Ecuaciones de Underwood
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 91/139
Es útil para determinar Rm, suponiendo i eficaz y L/V constantes.
Se deben resolver las siguientes ecuaciones:
S ((i zFi)/(i - f)) = 1 - q (1) i son todos los componentes
S (( j yDj)/( j - f)) = Rm + 1 (2) j son el hk y los componentesmás ligeros que el pesado (?)
De (1) con hk < f < lk se resuelve (2).Si existen B componentes
entre los claves el número de valores para f es B+1.
(2) va a permitir construir un sistema de B+1 ecuaciones con B+1 incógnitas,
(siempre y cuando se hayan especificado las composiciones de los
componentes clave en el destilado), cuáles?
Si yDj < 0 ó yDj > 1, los componentes clave elegidos son incorrectos.03/09/2014 operaciones unitarias 91
Con las ecuaciones anteriores también se pueden estimar lastemperaturas iniciales para el destilado y los fondos así:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 92/139
temperaturas iniciales para el destilado y los fondos, así:
1. i eficaz se puede asumir una temperatura promedio de la columna
o tomar la temperatura del alimento para iniciar el procedimiento
2. Con las ecuaciones de Underwood se calculan los yDi’s con i
3. Se encuentra la temperatura de rocío, T0, para el destilado con losvalores de yDi’s
4. Con balances de materia se hallan los valores de xWi’s (La relaciónD/F debe tenerse como dato de entrada)
5. Se calcula la temperatura de burbuja, TN+1, para los fondos con los
valores de xWi’s
6. Se compara el valor promedio de temperatura asumido en 1 con
(TN+1 + T0)/2, sí son diferentes se vuelve al punto 1 con este nuevo
valor promedio03/09/2014 operaciones unitarias 92
Correlación empírica de Gilliland
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 93/139
0.01 0.1 1.0
1.0
0. 1
0.01
( N
- N m ) / ( N + 1
)
(R - Rm)/(R+1)
Ec. Molokanov
Ec. Molokanov (Int. Chem. Eng., 12(2), 209 (1972))
G = 1 - exp((1+54.4H)(H-1)/((11+117.2H)H0.5))
Donde: G = (N - Nm)/(N + 1) y H = (R - Rm)/(R+1)
Conocidos Nm y Rm, con la
correlación de Gilliland, para un
valor de R especificado sepuede calcular N (o lo contrario)
03/09/2014 operaciones unitarias 93
Localización del plato de alimentación
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 94/139
p
Se considera solamente el sistema binario formado por los
componentes clave.Partiendo del Balance del componente más liviano - zona de enriquecimiento
(presentación de McCabe-Thiele)
yn+1 V = xn L + yD D
Re-escribiendo (2) para lk y hk y despejando x se tiene (sin considerar plato):
xlk = ylk V/L - yDlk D/L
xhk = yhk V/L - yDhk D/L
Eliminando L de las ecuaciones anteriores y despejando ylk se tiene:
ylk = (xlk /xhk )(yhk - yDhk D/V) + yDlk D/V (1)
03/09/2014 operaciones unitarias 94
Partiendo del Balance del componente más liviano - zona de despojamiento(presentación de McCabe-Thiele)
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 95/139
(presentación de McCabe-Thiele)
x N-3 L’ = y N-2 V’ + xW W
y aplicando el mismo procedimiento anterior se tiene:
ylk = (xlk /xhk )(yhk + xWhk W/V’) - xWlk W/V’ (2)
En el punto de alimentación las ecuaciones (1) y (2) son iguales, entonces:
(xlk /xhk )int. = (yDlk D/V + xWhk W/V’)/(yDhk D/V + xWlk W/V’)
Considerando R y q, la ecuación anterior se puede re-escribir como:
(xlk /xhk )int. = (zFlk - yDlk (1-q)/(R+1))/(zFhk - yDhk (1-q)/(R+1))
La razón (xlk /xhk ) se debe calcular plato a plato y la localización del plato dealimentación se obtiene cuando:
(xlk /xhk )f-1 > (xlk /xhk )int. > (xlk /xhk )f
03/09/2014 operaciones unitarias 95
Métodos rigurosos para el diseño de columnas de
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 96/139
Métodos rigurosos para el diseño de columnas de
destilación multicomponentes
1. Método de Lewis y Matheson
2. Método de Thiele y Geddes
Actividad
Revisar el ejemplo 9.13 de Treybal.
03/09/2014 operaciones unitarias 96
En general, para el diseño preliminar de una columna de destilación,
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Información que siempre se debe tener:
1. Datos de equilibrio2. Eficiencia de los platos
3. Condiciones del alimento
4. Presión en el destilado (considerando fluido de enfriamiento usado en elcondensador)
De los siguientes parámetros el diseñador sólo especificará tres:
1. N
2. R
3. R’ (=VN+1 / W)
4. Concentración de un componente o máximo 2 en un producto
5. Separación de un componente o máximo 2 (DyDi / WxWi)
6. D / W.03/09/2014 operaciones unitarias 97
Métodos cortos (Abreviados)
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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Método de Fenske - Underwood - Gilliland
Métodos cortos (Abreviados)
03/09/2014 operaciones unitarias 98
1. Establecer las separaciones deseadas de los componentes clave,las condiciones de la alimentación y la presión de la columna.
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
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2. Calcular el número mínimo de etapas teóricas mediante la
ecuación de Fenske.
3. Volver a utilizar la ecuación de Fenske, ahora para calcular las
separaciones de los componentes no clave.
4. Calcular, con la ecuación de Underwood, la relación de reflujo
mínimo.
5. Mediante la ecuación de Gilliland, calcular el número real de
etapas teóricas a partir de la relación de reflujo real oviceversa.
6. Determinar la etapa de alimentación con la ecuación de
Kirkbride.03/09/2014 operaciones unitarias 99
Ecuación de Fenske
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 100/139
Ecuación de Fenske
Calcula el número mínimo de etapas (reflujo total). Supone una volatilidad relativa media (geométrica)
en toda la columna.
Es independiente de la alimentación y sólo requiere
las recuperaciones de los componentes clave.
log ( xLK / xPK )D ( xLK / xPK )w
NMin.+1 = _____________________________________________
log LK / PK
21
1 )( W media 03/09/2014 operaciones unitarias 100
Separación de Componentes no Clave
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 101/139
Separación de Componentes no Clave
Se emplea la ecuación de Fenske despejada para uncomponente no clave dejando uno de loscomponentes clave como referencia:
mediair
i
r
r
i
w
w
d
d
N log
log
1min
FxFi = DxDi + WxWi
iii wd f
i: no clave
r: referencia
(PK)
03/09/2014 operaciones unitarias 101
Cantidades separadas de componentes no clave:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 102/139
))(/(1
))(/(
))(/(1
1min,
1min
,
1min
,
N mediar ir r
N
mediar ir r i
i
N
mediar ir r
ii
wd
wd f
d
wd
f w
Cantidades separadas de componentes no clave:
03/09/2014 operaciones unitarias 102
Ecuación de Underwood
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 103/139
Calcula el reflujo mínimo en una torre con zonas de
infinitud por encima y por debajo del plato dealimentación.
xD xW xF 03/09/2014 operaciones unitarias 103
Operación: Vmin· yi,n+1 = Lmin· xi,n + D·xi,D
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 104/139
c
i i
Dii
PK
i
Dii
ni
x DV
K V
L
x D yV
1
,
min
min
min
,
1,min
Equilibrio: yi,n+1 = K i,n+1· xi,n+1
Zona de infinitud composiciones constantes:
xi,n-1 = xi,n = xi,n+1 yi,n-1 = yi,n = yi,n+1
Dini
i
ni x D y K
L yV ,1,
min1,min
i = K i/K PK
03/09/2014 operaciones unitarias 104
cc xWxW ''
Zona de gotamiento
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 105/139
i i
W ii
i
PK
i
W ii xW
K V
L
xW V
1
,
1
min
min
,
min''
'
''
'
c
i i
F iic
i i
W ii
i
Dii
A x F xW x DV V V
1
,
1
,,
limminmin '
Para flujo molar y volatilidad relativa constantes:
1.- Conocida F y su entalpía, calculo VAlim (moles de
alimentación que entran como vapor saturado: 1-f)
2.- Cálculo Ω
3.- Cálculo (L/V)min03/09/2014 operaciones unitarias 105
Ecuación de Gilliland
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 106/139
Ecuación de Gilliland
D L R
R R R X
X
X
X
X
N
N N
/
1
1
2.11711
4.541exp1
1
min
5.0
min
Correlación empírica para el número de platosteóricos y la relación de reflujo de operación en base
a los parámetros mínimos:
L/V = R/ (R+1)03/09/2014 operaciones unitarias 106
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 107/139
Correlación de Gilliland (escala logarítmica)03/09/2014 operaciones unitarias 107
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 108/139
Correlación de Gilliland (escala lineal)03/09/2014 operaciones unitarias 108
Utilización de la correlación de Gilliland
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 109/139
• Cálculo de Nmin mediante Fenske
• Cálculo de (L/D)min mediante Underwood
• Elección de (L/D) real:
1.05 (L/D)min < (L/D)real <1.5(L/D)min
• Cálculo de abscisa y lectura de ordenada
• Cálculo de N etapas teóricas
Utilización de la correlación de Gilliland
( Estimación de Nteóricos a una relación de reflujo dada)
03/09/2014 operaciones unitarias 109
Ecuación de Kirkbride
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 110/139
(Selección del plato de alimentación)
Supone que las etapas están distribuidas de maneraóptima en la zona de rectificación y agotamiento.
La razón entre el nº de platos por encima y pordebajo de la alimentación:
206.02
DW
x x
x x
N N
D PK
W LK
F LK
F PK
I
S
03/09/2014 operaciones unitarias 110
Separación de N compuestos:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 111/139
Secuencias:
Posibles ordenaciones de las separaciones de los
compuestos, según las diferentes escisiones.
Subgrupos:
Agrupaciones de compuestos en distintos puntos del
sistema (entradas o salidas de las columnas).
Escisiones:
Posibles separaciones o puntos de corte en las series de
compuestos que alimentan las columnas.
Se precisan N-1 columnas de fraccionamiento.
03/09/2014 operaciones unitarias 111
Secuencias para alimentación de 4 componentes
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 112/139
A
-
B
C
D
B
-
C
D
C
-
D
A
-
B
C
D
B
C
-
D
B
-
C
A B
D D C
A
CB
03/09/2014 operaciones unitarias 112
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 113/139
A
B
-
C
D
A
-
B
C
-
D
A
B
D
C
03/09/2014 operaciones unitarias 113
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 114/139
A
B
C
-
D
A
B
C
-
D
A
-
B
C
B
-
C
A
B
-
C
A
-
B
D C D C B
ABA
03/09/2014 operaciones unitarias 114
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 115/139
03/09/2014 operaciones unitarias 115
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 116/139
03/09/2014 operaciones unitarias 116
DESTILACION EXTRACTIVA Y AZEOTRÓPICA
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 117/139
DESTILACION EXTRACTIVA Y AZEOTRÓPICA
Mezclas problemáticas: * Azeotrópicas
* Baja volatilidad relativa (< 1.05)
Tratamientos posibles:
a.- Variación de la presión :
- Azeótropos Homogéneos
- Azeótropos Heterogéneos
b.- Tercer componente :
- Destilación extractiva
- Destilación azeotrópica 03/09/2014 operaciones unitarias 117
Variación de la presión de trabajo. Azeótropo mínimo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 118/139
P1 P
2
xD1 xD2 xF
T
03/09/2014 operaciones unitarias 118
Azeótropo Azeótropo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 119/139
m n
m + n
(Una fase)
Separadorde lìquidos
03/09/2014 operaciones unitarias 119
D2
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 120/139
BA
F(A+B)D1
P1 P2
P2
<P1
03/09/2014 operaciones unitarias 120
Variación de la presión de trabajo. Azeótropo máximo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 121/139
P1 P2
xB1 xB2 xF
T
03/09/2014 operaciones unitarias 121
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 122/139
D2 D1
BA
F
P1 P2
03/09/2014 operaciones unitarias 122
Heteroazeótropo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 123/139
x,yn m
Tn calderín
Tm calderín
Tdestilado
Tseparador
T
03/09/2014 operaciones unitarias 123
Adición de un tercer componente
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 124/139
A
(B + S)
Rectificación
Absorción
Agotamiento
Separador (S)
Alimentación(A + B)
Destilación extractiva
03/09/2014 operaciones unitarias 124
Características de la destilación extractiva
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 125/139
El agente separador se utiliza para modificar lavolatilidad relativa de los componentes. Varía suscoeficientes de actividad.
Distinta polaridad. Forma un complejo o puentesde hidrógeno con uno de los compuestos y loarrastra hacia el fondo.
Un disolvente es tanto más selectivo para unamezcla cuanto más fácil sea la separación de éstaen su presencia.
03/09/2014 operaciones unitarias 125
I t
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 126/139
Ejemplo de destilación extractiva
Tolueno + Isooctano
Isooctano
Fenol
Fenol
Tolueno
Fenol + Tolueno
03/09/2014 operaciones unitarias 126
Cualidades de un buen disolvente para
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 127/139
destilación extractiva:
Elevada capacidad de disolución (arrastre)
Baja volatilidad
Buena separatibilidad posterior
Alta selectividad S = (12)D / (12)
Capacidad de disolvente
Requerimientos básicos
( toxicidad, estabilidad química, no corrosivo,... )
03/09/2014 operaciones unitarias 127
C í i d l d il ió ó i
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 128/139
Características de la destilación azeotrópica:
La finalidad de la destilación azeotrópica es la separaciónde un azeótropo mínimo binario, o bien la de dos
componentes de puntos de ebullición muy próximos,formando un azeótropo mínimo de menor punto deebullición.
El medio empleado es la adición de otro componente, tal
que el sistema formado por los tres y sus mezclasazeotrópicas sea más fácil de separar que el original.
03/09/2014 operaciones unitarias 128
Elección del separador:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 129/139
– Hay que considerar la posibilidad de formación de azeótropos con
los componentes iniciales, y los puntos de ebullición y lacomposición de tales azeótropos.
– Los datos experimentales necesarios se pueden encontrar en la
bibliografía para numerosas mezclas.
– Puede recurrirse a la comprobación experimental del
comportamiento previsto en función de la estructura química de los
componentes.
– Tiene que ser el que permita la separación más sencilla, no sólo en
la operación de la columna, sino en toda la instalación.03/09/2014 operaciones unitarias 129
96% etanol4% aguaHeteroazeótropo
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 130/139
AB
C
Etanol 100%
Etanol-agua
agua
Alimentación
96% etanol
4% agua14,5% etanol
84,5 benceno
1,0% agua
condensador
separador
4% agua
7,4% agua
4,1% benceno78,5% etanol
Ejemplo de destilación azeotrópica: obtención de alcohol absoluto03/09/2014 operaciones unitarias 130
Extractiva Vs. Azeotrópica
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 131/139
La destilación extractiva se aplica sólo en proceso continuo,
mientras que la azeotrópica puede efectuarse en columnas de
funcionamiento discontinuo (laboratorio).
La elección del separador es más sencilla en la destilación
extractiva, pues en la azeotrópica hay que buscarlo dentro del
campo de las sustancias que hierven en un intervalo de
temperatura muy limitado y próximo al de los componentes a
separar.
El consumo de energía calorífica suele ser mayor en la
destilación azeotrópica.
03/09/2014 operaciones unitarias 131
Destilación al vacío
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 132/139
Se aplica a la separación de sustancias que se descomponen
químicamente con el calor o de presión de vapor muy baja.
Se opera en condiciones de muy baja presion y baja Tª y tiempode exposición.
Se pueden utilizar torres de platos o de relleno hasta presiones
de 2 mmHg., para más bajas se emplea la Destilación Molecularque utiliza el alto vacío (hasta 0.003 mmHg).
.03/09/2014 operaciones unitarias 132
Destilación por arrastre de vapor
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 133/139
Se aplica a la separación de compuestos inmiscibles con el
agua, generalmente orgánicos, mezclados con otroscomponentes no volátiles susceptibles de descomponerse.
Consiste en la vaporización a baja temperatura de loscomponentes volátiles de una mezcla por introducción de una
corriente directa de vapor de agua.
El vapor de agua calienta la mezcla hasta ebullición y ejerceuna presión parcial (aporta su presión de vapor), lo que
permite operar a menor Tª :
PA + PW = PT = PAmbiente
Podría efectuarse por medio de otros vapores, o bien con
gases y calefacción indirecta.03/09/2014 operaciones unitarias 133
Métodos de destilación por arrastre
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 134/139
1. La alimentación contenida en el calderín se calienta
exclusivamente a expensas del calor latente contenido enel vapor, que condensa parcialmente.
(Tenemos dos componentes y tres fases, por tantoun solo grado de libertad: presión o temperatura)
2. Calefacción indirecta para impedir la condensación devapor y poder fijar la temperatura de destilación másconveniente.
(Si no hay condensación del agua tenemos sólodos componentes, el volátil y el agua, en dos fases y portanto dos grados de libertad : presión y temperatura).
03/09/2014 operaciones unitarias 134
Teoría del arrastre
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 135/139
Problema: cálculo de la cantidad de vapor, necesaria para
separar una determinada cantidad de componente útil, en
función de la Tª y PT de destilación.
Ecuación fundamental (derivada de las leyes de los gases
perfectos) :
B
W
p
p
dB
dW
W: moles de vapor de agua necesarias para el arrastre
B: moles de compuesto volátil en el calderín en un cierto momento
I: cantidad de componente no volátil (constante)
pW , pB : presiones parciales de los compuestos en la mezcla gaseosa03/09/2014 operaciones unitarias 135
No se alcanza el equilibrio Ley de Raoult corregida
con el coeficiente de eficacia E:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 136/139
con el coeficiente de eficacia E:
I B B P E p p p p BT BT W
0
I B
B P E p B B
0
B
dB
P E
I pdB
P E
pdW
B
T
B
T
00 1
Sustituyendo:
03/09/2014 operaciones unitarias 136
Integrando entre las condiciones iniciales y finales:
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 137/139
2
1
21ln
ln B
B
B B B
11ln
0
21
B
I
P E
p
B B
W
B
T
Donde:
2
10210 ln1 B B
P E I p B B
P E pW
B
T
B
T
Consumo de vapor
por unidad de
producto
03/09/2014 operaciones unitarias 137
0 I
Poca materia inerte
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 138/139
Cuando el arrastre se efectúa en presencia de agua(hay condensación): Pw= P0
W
0
0
21 B
W
P E
P
B B
W
00
21
1
B
W
B
T
P E
p
P E
p
B B
W
0ln
B
Poca materia inerte
o no soluble
Ecuación
simplificada
03/09/2014 operaciones unitarias 138
Condiciones óptimas de arrastre
7/17/2019 Fraccionamiento 2014
http://slidepdf.com/reader/full/fraccionamiento-2014 139/139
El arrastre en presencia de agua (con condensación) una vezfijada la presión total, queda fijado el consumo de vapor.
En el arrastre sin condensación pueden variarseindependientemente la temperatura y la presión, para buscarun consumo mínimo de vapor.
Conviene operar a la Tª máxima admisible para la sustancia(valor máximo de P0
B) y a la PT mínima posible.
Cuando no se emplea calefacción indirecta, al consumo de