¿aplicamos correctamente el método de mccabe-thiele o ponchon
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1CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
¿Aplicamos correctamente el método de
McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre “qué” y “cómo” explicamos
¿Aplicamos correctamente el método de
McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre “qué” y “cómo” explicamos
A. Marcilla, J.A. Reyes-Labarta y M.D. Serrano
Departamento de Ingeniería QuímicaInstituto de Ingeniería de los Procesos QuímicosUniversidad de Alicante(http://iq.ua.es/gcef.htm)
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• Ejemplo: Cálculo de columnas de rectificación• Ejemplo: Cálculo de columnas de rectificación
• Objetivo• Objetivo
Evitando que los métodos de cálculo sean “recetas” o “cajasnegras” sin interacción dónde únicamente se introducen unos datosy se obtienen unos resultados
Fomentando la capacidad de análisis y autoaprendizaje
Motivación
¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre que y como explicamos
Crear un debate sobre “qué” y “cómo” explicamos:
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• Cálculo de columnas de rectificación• Cálculo de columnas de rectificación
Métodos de Simulación vs. Diseño
¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre que y como explicamos
Análisis Grados de Libertad
• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva
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• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva
Diseño de Operaciones de Separación
A) Simuladores comerciales (Hysys, Aspen, ChemCad, etc.)
1
3
4 5 6
8
2
4
5 6 7
2
1
3
8
9
10
Benceno puro
Az. Bin.
ETANOL
Vapor (A.T.)
F. orgánica
Vapor (0)7
11
F. acuosa
13
Vapor (A.T.)
12
agua-etanol
14
AGUA
15Az. Bin.
Son las herramientas actuales para tantopara el diseño, como la simulación y optimización de procesos, especialmenteen sistemas multicomponentes
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• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva
B) Métodos de diseño tradicionales(McCabe-Thiele, Ponchon-Savarit, Sorel, Sorel-Lewis, etc.)
y
x xDxR zA
H/h
y, x
y
zA1xA1
∆1
c1 =xD
D
c2 =xR
R
∆2
V1,1V1,1A
FP
Diseño de Operacionesde Separación
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B) Métodos de diseño tradicionalespara sistemas binarios (McCabe-Thiele, Ponchon-Savarit, Sorel, Sorel-Lewis, etc.)
y
x xDxR zA
Diseño de Operacionesde Separación
Determinar situaciones especiales:
Calcular el número óptimo de pisos
Permiten, para una separación dada:
Reflujo mínimo
Excesivo reflujo o vapor en la caldera
Alimentos en ubicaciones no adecuadas
Necesidad de intercondensadores o intercalderas
• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva
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Diseño de Operaciones de Separación
• McCabe, W.L.; Thiele, W.E. Graphical design of fractional columns, Ind. Eng. Chem. 1925, 17, 605.
• Seader JD, Henley E.J., Roper D.K. Separations Process Principle. Chemical and Biochemical Operations. New York:John Willey & Sons, 3th ed. 2011.
• Petlyuk, F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of Separations Units. Cambridge Series in Chemical Engineering. 2004.
• Stichmair JG, Fair JR. Distillation: Principles and Practice. New York:Willey-VCH, 1998.
• Biegler, L.T.; Grossmann, i.E.; Westerberg, A.W. Systematic Methods of Chemical Process Design. New Jersey: Prentice Hall, 1997.
• McCabe W.L.; Smith J.C.; Harriot, P. Unit Operations of Chemical Engineering. New York: McGraw-Hill; 5th ed. 1993.
• Kister, H.Z. Distillation Design. New York: McGraw-Hill; 1992.• King, C.J. Chemical Engineering Series. Separation Processes. New York:
McGraw-Hill; 1980.• Treybal, R.E. Mass Transfer Operations, Chemical Engineering Series.
McGraw Hill: New York, 3th ed. 1981.• Doherty M.F., Malone M.F. Conceptual design of distillation systems. New
York: McGraw-Hill; 2001.• …
Bibliografía tradicional
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Diseño de Operaciones de Separación
LIMITACIONES
A) Generalmente sólo se consideran columnasconvencionales con una única alimentación
B) El cambio de sector no se considera con detalle
Bibliografía tradicional
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A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencionaln convencional
y
x xDxR zA
FP
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
xA
yAAlimento
Destilado
Residuo
LD
...
...
n=1
n=N
A, ZA,i, qA
( ) ( )A
A
A
A
qz
xqq
yFPqcta−
+⋅−−
=11
:)( Re
[**]
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y
xDxzAxR xA
yA
A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencionaln convencional
Alimento
Destilado
Residuo
LD
...
...
n=1
n=N
A, ZA,i, qA
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A
AAD
A VDLyVxD
xVDL
LyROA
−+⋅−⋅
+⋅−+
=1
11
12:
xOpt
L1
L0
V2
L’1V’1
L2
V3
V1
[**]
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A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencional: diferentes estados tn convencional: diferentes estados téérmicos del alimento rmicos del alimento qqAA
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1)·(
1)]·(h[H
)osubenfriad líquido( >−
+=−+−
=A
AburbujaPL
A
burbujaAPLAAA
TTCTTCq
λλ
0)·()]·(H[H
)tadosobrecalenvapor ( <−−
=−+−
=A
rocíoAPV
A
rocíoAPVAAA
TTCTTCq
λλ
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
[**]
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
a)0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 b)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1 2 3 4 5 6Tray
Liq
uid
mo
lar
fra
cti
on
Classical approach (FP)
Alternative approach (FOL)0 %
0 %
0 %
-23 %
-112 %
-180 %
A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencional: diferentes estados tn convencional: diferentes estados téérmicos del alimento rmicos del alimento qqAA
[**]
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B) Columna de rectificaciB) Columna de rectificacióón generalizadan generalizada
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A2A2
Q D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
1
2
L 1, 0L 1, 0
RQ R
A1A1
3
A2A2
Q D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
1
2
L 1, 0L 1, 0
RQ R
P 1P 1
3
A1A1
Q D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
1
2
L 1, 0L 1, 0
W R
A (zA=xA)2
Q D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
1
2
L 1, 0L 1, 0
RQR
3
Q (yQE1)E1
QA3
4
(xQA3)
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C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
RR
A2A2
Q DQ D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
2
3
L 1, 0L 1, 0
Q
1Q E1
y D
zA2xR xD
1
2
3
x
¿aplicado a un vapor de yQE1?
yQE1
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C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
RR
A2A2
Q DQ D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
2
3
L 1, 0L 1, 0
Q
1Q E1
y D
zA2xR xD
1
2
3
x
¿aplicado a un vapor de yQE1?
yQE1
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C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
RR
A2A2
Q DQ D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
2
3
L 1, 0L 1, 0
Q
1Q E1
y D
zA2xR xD
1
2
3
x
¿aplicado a un vapor de yQE1?
yQE1
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C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
RR
A2A2
Q DQ D
D
L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D
2
3
L 1, 0L 1, 0
Q
1Q E1
y
yQE1
D
zA2xR
x1,NP1
xD
1
2
L2,0 =L1,NP1 +V1,0 como líquido
y1,0 =y2,1
y1,0 como líquido
3
yQE1
¡aplicado a un vapor de y = zQE1!
L1,NP1
V2,1
V1,0
L2,0
QE1
L1,NP1
V2,1
V1,0
L2,0
QE1
[**]
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• Conclusiones• Conclusiones
¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre qué y cómo explicamos
La utilización y análisis de los métodos clásicos, aunqueaproximados y/o limitados, puede ayudarnos a mejorar el entendimiento de las operaciones de separación
Aunque sean métodos simplificados no hace falta explicarlos de forma simplificada
Su aplicación a casos más complejos nos puede proporcionarmaterial de trabajo para las tutorías grupales, etc.
y D
zA2xR xD
1
2
3
x
yQE1
y
xDxzAxR xA
yAxOpt
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•Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. ANALYSIS OF THE ZONE CONNECTING CONSECUTIVE SECTORS IN DISTILLATION COLUMNS BY THE PONCHON-SAVARIT METHOD. 12th Mediterranean Congress of Chemical Engineering. EXPOQUIMIA’11 (http://hdl.handle.net/10045/19864). 2011.
•[**] Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. REVISION AND EXTENSION OF THE McCABE-THIELE METHOD, COVERING MULTIPLE FEEDS, PRODUCTS AND HEAT TRANSFER STAGES. Industrial & Engineering Chemistry Research. En revisión 2012.
• Reyes-Labarta, Juan Antonio.Extensión del método de Ponchon y Savarit para el diseño de columnas de rectificación y extracción en sistemas multicomponentes. Cálculo del reflujo mínimo. Biblioteca Virtual Miguel de Cervantes (Universidad de Alicante) , 1998. http://www.cervantesvirtual.com/FichaObra.html?Ref=4845
• Marcilla, A.; et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE RECTIFICACIÓN: McCABE–THIELE. Página web de autoaprendizaje (Dpto. de Ingeniería Química-UA): http://iq.ua.es/McCabe-V2/
• Marcilla, A. et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE RECTIFICACIÓN: PONCHON–SAVARIT. Página web de autoaprendizaje (Dpto. de Ingeniería Química-UA): http://iq.ua.es/Ponchon/
Información adicional
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•Reyes-Labarta, J.A.; Caballero, J.A.; Marcilla, A. A NOVEL HYBRID SIMULATION-OPTIMIZATION APPROACH FOR THE OPTIMAL DESIGN OF MULTICOMPONENT DISTILLATION COLUMNS. European Symposium on Computer Aided Process Engineering-22 / Ed. Ian David Lockhart Bogle and Michael Fairweather / Elsevier Science 12th (Computer Aided Chemical Engineering). 2012; 30 (in press)
•Reyes, J.A.; Gomez, A.; Marcilla, A. GRAPHICAL CONCEPTS TO ORIENT THE MINIMUM REFLUX RATIO CALCULATION ON TERNARY MIXTURES DISTILLATION. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2000; 30, 10: 3912-3919.
• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A.; Olaya M.M. NEW METHOD FOR QUATERNARY SYSTEMS LIQUID-LIQUID EXTRACTION TRAY TO TRAY DESIGN. Industrial & Engineering Chemistry Research. 1999; 38, 8: 3083-3095.
• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A. NEW METHOD FOR DESIGNING DISTILLATION COLUMNS OF MULTICOMPONENT MIXTURES. Latin American Applied Research International Journal on Chemical Engineering. 1997; 27(1-2): 51-60.
Información adicional
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