tema 5. destilación mezclas binarias.pdf
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DESTILACIN - RECTIFICACINDefinicin
Separacin de los componentes de unacorriente alimento lquida (o vapor) medianteun vapor (o lquido) generado porcalefaccin (o condensacin) de la mezclacalefaccin (o condensacin) de la mezclaoriginal, en otras dos, destilado y residuo,con las calidades deseadas
Agente energtico de separacin (AES)
-
DESTILACIN - RECTIFICACINFactores positivos
Agente energtico de separacin Fcil aporte y eliminacin de energa Gran diferencia de densidades entre las fases Elevada tensin superficial Elevada tensin superficial
Factores negativos
Diferencia de temperatura entre cabeza y fondo de columna demasiado grande o pequea Presin de trabajo, funcin de las presiones de vapor de saturacin de los componentes Dao en sustancias termosensibles
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COLUMNA DE DESTILACINCaldera
Pisos
Condensador
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NV
L
LD
QR
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
Caldera
1
M=a
V
L
L
-
COLUMNA DE DESTILACINCaldera
Pisos
Condensador
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NV
L
LD
Entrada de la corriente lquida desde el fondo de la columnaSuministro de energa (AES) Generacin de una corriente de vapor que retorna a la columna
Salida del residuo QR
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
Caldera
1
M=a
V
L
L
-
COLUMNA DE DESTILACINCaldera
Pisos
Condensador
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NV
L
LD
Entrada de las corrientes lquida y vapor desde los pisos superior e inferior, respectivamenteContacto ntimo y prolongado entre las fases Salida de las corrientes lquida y vapor hacia los pisos inferior y superior, respectivamente Entrada del alimento en el piso adecuado
QR
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
Caldera
1
M=a
V
L
L
-
COLUMNA DE DESTILACINCaldera
Pisos
Condensador
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NV
L
LD
Entrada de la corriente vapor desde la cabeza de la columna Eliminacin de energa (AES) Generacin de la corriente lquida que retorna a la columna Salida del destilado (lquido o vapor) QR
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
Caldera
1
M=a
V
L
L
-
COMPONENTES CLAVECOMPONENTES CLAVE
Una columna de destilacin nicamentesepara dos componentes de una mezcla enotras dos con las calidades deseadas
CL: componente clave ligeroCP: componente clave pesado
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COMPONENTES CLAVEDestilado
Residuo
Todo de los compuestos ms ligeros que el clave ligero (CL)ligero (CL) Cantidades especificadas de los compuestos clave ligero (CL) y clave pesado (CP) Cantidades aproximadas de los compuestos interclave Nada de los compuestos ms pesados que el clave pesado (CP)
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COMPONENTES CLAVEDestilado
Residuo
Todo de los compuestos ms pesados que el clave pesado (CP)pesado (CP) Cantidades especificadas de los compuestos clave ligero (CL) y clave pesado (CP) Cantidades aproximadas de los compuestos interclave Nada de los compuestos ms ligeros que el clave ligero (CL)
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PRESIN DE FUNCIONAMIENTO1. Leer xi,D , xi,R
Condensador TOTAL y PD = 0,2 MPa si (PD)Burb< 0,2 MPa
SI
2. Calcular (PD)Burb a 49 C
3. (PD)Burb < 1,48 MPa?
NO
Condensador PARCIALSI
4. Calcular (PD)Roco a 49 CNO
6. Elegir un refrigerante y PD = 2,86 MPa
NO
5. (PD)Roco < 2,52 MPa?
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PRESIN DE FUNCIONAMIENTO7. Estimar PR a partir de PD
10. Leer PD , PRSI
8. Calcular (TR)Burb a PR
9. (TR)Burb < TC , TDesc?TC , TDesc?
11. Disminuir PRNO
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CONDICIONES LMITES DE FUNCIONAMIENTO
Razn de reflujo mnima
Nmero de pisos infinito
Zonas de conjuncin o infinitud
Razn de reflujo infinita
Nmero de pisos mnimo
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CONDICIONES LMITES DE FUNCIONAMIENTO
Razn de reflujo ptima
M+N
Coste
s tota
les
C
o
s
t
e
a
n
u
a
l
p
o
r
u
n
i
d
a
d
d
e
d
e
s
t
i
l
a
d
o
(LD/D) (LD/D)min
(M+N)min
Costes de o
peracin
Coste
s tota
les
Costes fi
jos
(LD/D)min (LD/D)opt
C
o
s
t
e
a
n
u
a
l
p
o
r
u
n
i
d
a
d
d
e
d
e
s
t
i
l
a
d
o
LD/D
-
DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASNomenclatura
CaudalesCaudales molaresmolares totalestotales:: A,A, D,D, R,R, L,L, VVFraccionesFracciones molaresmolares:: zzii,, xxii,, yyiiCaudalesCaudales molaresmolares individualesindividuales:: aaii,, ddii,, rrii,, llii,,vvii
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NV
L
LD
ii
EntalpasEntalpas especficasespecficas:: h,h, HH
ComponentesComponentes:: i,i, jjPisosPisos:: p,p, n,n, m,m, aa
CalderaCaldera:: RR CondensadorCondensador:: DD
QR
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
Caldera
1
M=a
V
L
L
-
DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASVariables de diseo
Caldera + Sector de agotamiento + Piso de Alimentacin + Sector de enriquecimiento + Condensador parcial
Vdiseo = C + 7 = 9
Vdiseo fijas = 5 (A, zA, TA, PA, PD)
Vdiseo libres = 4 ( yD, xR, LD/D, aopt)
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASVariables de diseo
Caldera + Sector de agotamiento + Piso de Alimentacin + Sector de enriquecimiento + Condensador total
Vdiseo = C + 8 = 10
Vdiseo fijas = 5 (A, zA, TA, PA, PD)
Vdiseo libres = 5 ( yD, xR, LD/D, aopt, TD)
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASConsideraciones previas
Presin PColumna = 35 x 1 = 35 kPaPCondensador = 15 kPaAlimento
CondensadorCondensador
Razn de reflujoPD = 1000 kPa; PR = 1050 kPaPD = 100 kPa; PR = 150 kPaPD = 10 kPa; PR = 60 kPa
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASConsideraciones previas
Presin Destilacin sbita ?
Alimento
CondensadorCondensador
Razn de reflujo Calcular TBurb y TRoco del alimento a la presin de la columna Calcular (V/A) resultado de la destilacin sbita
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASConsideraciones previas
Presin Qu estado fsico ha de tener el destilado ?
Alimento
CondensadorCondensador
Razn de reflujo Condensador parcial: LD lquido a su TBurb ; D vapor a su TRoco Condensador total: LD y D lquido a TD < o = TBurb
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASConsideraciones previas
Presin Balance econmico
Alimento
CondensadorCondensador
Razn de reflujo1,2 (LD/D)min < (LD/D)opt < 2,0 (LD/D)min
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASMtodos de clculo simplificados
Mtodo de Lewis Mtodo de McCabe - Thiele
Mtodos de clculo rigurosos
Mtodo de Sorel Mtodo de Ponchon - Savarit
-
DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASMtodos de clculo simplificados
LOS FLUJOS MOLARES DE CADA FASE PERMANECEN CONSTANTES EN CADA SECTOR DE LA COLUMNA
SE PUEDE PRESCINDIR DEL BALANCE DE ENTALPA EN CADA PISO
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DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASSignificado fsico de q del alimento
Piso a+1 = M+1
La+1Va
Piso a = M
La+1xa+1ha+1
La+1xa+1ha+1
VayaHa
VayaHaAzA
HA
-
Calor necesario para vaporizar un mol de alimentoCalor latente de vaporizacin
DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASSignificado fsico de q del alimento
q > 1 Lquido a T < TBurbq = 1 Lquido a T = TBurb0 < q < 1 Mezcla lquido + vaporq = 0 Vapor a T = TRocoq < 0 Vapor a T > TRoco
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MTODO DE LEWISDatos de partida: A, zA, TA, PA, PD, zD, xR, (LD/D)
1. D, R
2. Ln , Vn 11. TM-1 , xM-1
12. Repetir 10 y 11 hastaxR
3. TD , TR , xD , yR
4. yM+N
5. TM+N , xM+N
6. Repetir 4 y 5 hasta q, TM+1 , xM+1
7. Lm , Vm
8. yM
9. TM , xM
10. yM-1
-
MTODO DE McCABE - THIELE
0,6
0,8
1,0
Recta de alimentacin
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
y
x
xDxAxR
-
CONDICIN TRMICA DEL ALIMENTO
0,6
0,8
1,0
0 < q < 1
q = 1
q > 1
y
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
q < 0
q = 0
xR
zA
zD
x
-
NMERO MNIMO DE PISOS
0,6
0,8
1,0
Curva
de equil
ibrio
y
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
Diagon
al (y
=
x)
xR
zA
xD
x
-
POSICIN PTIMA DE ALIMENTACIN
0,6
0,8
1,0
4
3
2
1
D
Curva
de equil
ibrio
y
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
7
11
10
8 6
9
5
xR
zA
yD x
-
POSICIN PTIMA DE ALIMENTACIN
0,6
0,8
1,0D
11
10
987
56
Curva
de equil
ibrio
y
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
4
3
2
1
xR
zA
yD
x
-
RAZN DE REFLUJO MNIMA
0,6
0,8
1,0
P '
P
D
Curva
de equil
ibrio
y =
x)
y
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
P
R
Diago
nal (y
=
x
xR
zA
xD x
-
RAZN DE REFLUJO MNIMA
0,6
0,8
1,0
y
(Ln/V
n)
min
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
zD
zA
xR x
-
VOLATILIDADES RELATIVAS MUY BAJAS
0,6
0,8
1,0
xD
20
10
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
xR
xA
40
30
y
x
-
VOLATILIDADES RELATIVAS MUY BAJAS
0,04
0,05
0,06
30
20y
-
x
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00
0,01
0,02
0,03
Recta de
operacin del
sector de
enriquecimiento
Recta
de
oper
acin
del se
ctor d
e ag
otamien
to
xAx
R xD
40
10
x
-
PAPEL DOBLE LOGARTMICO
0,01
0,1
1
1E-4 1E-3 0,01 0,1 11E-4
1E-3
0,01
y
x
-
PAPEL PROBABILSTICOPAPEL PROBABILSTICO
5060708090959899
99,5
99,9
99,99
99,99999,9999
% vapor
1
E
-
4
1
E
-
3
0
,
0
1
0
,
1
0
,
5 1 2 5
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
9
0
9
5
9
8
9
9
9
9
,
5
9
9
,
9
9
9
,
9
9
9
9
,
9
9
9
9
9
,
9
9
9
9
1E-41E-3
0,01
0,1
0,5125
1020304050% vapor
% lquido
-
MTODO DE McCABE MTODO DE McCABE -- THIELETHIELE
0,6
0,8
1,0
y
Recta d
e oper
acin de
enriqu
ecimie
nto
QD
Piso superior
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
M+NVn
LD
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
x
R xR(R-C)
Recta
de
oper
acin
de
agot
amien
to
xR
xA
xD
A, zAAlimento
Piso inferior
Piso de alimentacin
ResiduoR, xR
1
M=a
Vm
Lm
Ln
Vapor de aguaC, xC
-
MTODO DE McCABE - THIELE
0,6
0,8
1,0
Curva
de equil
ibrio
y
QD
A, zAAlimento
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
yB
Diagon
al (y =
x)
xR
xA x
D
x QR Residuo
R, xR
Caldera
1
Alimento
B, zB
-
MTODO DE McCABE - THIELE
0,6
0,8
1,0
Curva
de equil
ibrio
y
QD
A, zAAlimento
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
xB
Diagon
al (y
=
x)
xR
xA
xD
x QR Residuo
R, xR
Caldera
1
Extraccin
B, zB
-
DESTILACIN de MEZCLAS BINARIASMtodos de clculo simplificados
Mtodo de Lewis Mtodo de McCabe - Thiele
Mtodos de clculo rigurosos
Mtodo de Sorel Mtodo de Ponchon - Savarit
-
MTODO DE SORELDatos de partida: A, zA, TA, PA, PD, zD, xR, (LD/D)
1. D, R
2. LD , VM+N
3. T , T , x , y7. xM , hM
8. VM-1 , yM-1, TM-1, HM-1, LM
9. xM-1 , hM-1
10. Hasta caldera3. TD , TR , xD , yRhD , hR , HD , HR
4. yM+N
5. TM+N , xM+N , hM+N , HM+N
5.1. MD , QD 5.2. MR , QR
5.3. VM+N-1, yM+N-1, TM+N-1, HM+N-1, LM+N
5.4. xM+N-1 , hM+N-1
6. VM , yM , TM , HM
-
MTODO DE PONCHON-SAVARIT
HHAA
HHCC
HHBB
xxCC xxBBxxAA
(((( ))))(((( )))) CBA
CBAHBAHBHA
xBAxBxACBA
++++====++++
++++====++++
====++++
ACAC
CBCB
xx
HHxx
HH
====
-
MTODO DE PONCHON-SAVARITD
D DQM hD
=
RR R
QM hR
=
1n D nL M H+ =
Vm
Vn
H-y1
VM+N
D
h
,
H
1
1
n D n
n D n
L M HV M h
+
+
=
D M ND
M N D
M HLD H h
+
+
=
1
1
m m R
m m R
L H MV h M
+
+
=
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Lm+1 L
n+1 h-x1
LD A R
D
R
xR xA xD
x1, y1
-
MTODO DE PONCHON-SAVARIT
43
8 756
2
H-y1
VM+N
D
h
,
H
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
4 21
h-x1 LD A
R D
R
xR
xA xD
x1, y1
-
NMERO DE PISOS MNIMO
4,7 43
21
H-y1
h
,
H
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1
h-x1
xR x
D
x1, y1
-
RAZN DE REFLUJO MNIMA
(D)
min
H-y1
h
,
H
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
(R)min
h-x1 A
R D
xR
xA xD
x1, y1
-
RAZN DE REFLUJO MNIMA(
D)
min
H-y1
h
,
H
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
(R)min
h-x1 A
R D
xR
xA xD
x1, y1
-
ALIMENTACIN DIRECTA VAPOR DE AGUA
S
C H-y1
VM+N
D
h
,
H
QD
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
D
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
zC h-x1
LD
A R D
C
xR xA xD
x1, y1
A, xAAlimento
ResiduoR, xR
Vapor de aguaC, xC
C
-
EXTRACCIN LATERAL + ALIMENTACIN
T
H-y1
VM+N
D
h
,
H
QD
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
Extraccin
S, xS
D
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
xS
S h-x1
LD A R
D
R
xR
xA xD
x1, y1 QR
A, xA
Alimento
ResiduoR, xR
Caldera
1
S, xS
T
R
-
ALIMENTACIN + EXTRACCIN LATERAL
H-y1
VM+N
D
h
,
H
QD
A, xAAlimento
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
D
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
S
xS
T
h-x1 L
D
A R
D
R
xR xA xD
x1, y1 QR Residuo
R, xR
Caldera
1
Extraccin
S, xS
T
R
-
COLUMNA CON DOS ALIMENTOS
H-y1
VM+N
D
h
,
H
QD
A, xAAlimento
DestiladoD, xD
Condensador total
Recipiente de separacin
LD
D
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
B
xB
T
h-x1 LD A
R
D
R
xR xA xD
x1, y1
QR
A, xA
ResiduoR, xR
Caldera
1
Alimento
B, xB
R
T