Transferencia de masa. diferencias en la presión de vapor o la solubilidad, en vez del tamaño o la...

Transferencia de masa

Un grupo de operaciones para la separación de componentes de mezclas está basado en la transferencia de materia desde una fase homogénea a otra. Contrariamente a las separaciones puramente mecánicas, estos métodos utilizan diferencias en la presión de vapor o diferencias en la presión de vapor o la solubilidad, en vez del tamaño o la densidad de las partículas.la solubilidad, en vez del tamaño o la densidad de las partículas.

La fuerza impulsorafuerza impulsora para la transferencia es una diferencia de es una diferencia de concentración o un gradiente de concentraciónconcentración o un gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia de temperatura o un gradiente de temperatura constituye la fuerza impulsora para la transmisión de calor.

Estos métodos, agrupados bajo la denominación de operaciones de transferencia de materia, incluyen técnicas tales como destilación, destilación, absorción de gases, deshumiditicación, extracción líquido-líquido, absorción de gases, deshumiditicación, extracción líquido-líquido, lixiviación, cristalizaciónlixiviación, cristalización, etc.

Los problemas de transferencia de materia se pueden resolver por dos métodos esencialmente diferentes:

1.1. uno que utiliza el concepto de etapas de equilibrio, yuno que utiliza el concepto de etapas de equilibrio, y2.2. otro basado en la velocidad de los procesos de difusión.otro basado en la velocidad de los procesos de difusión.

La selección del método depende del tipo de equipo en el que se realiza la operación.

La destilación, la lixiviación y, a veces, la extracción líquido-líquido se realizan en equipos tales como baterías de equipos tales como baterías de mezcladores-sedimentadores, baterías de difusión o torres de mezcladores-sedimentadores, baterías de difusión o torres de platos, que contienen una serie de unidades de proceso platos, que contienen una serie de unidades de proceso discretas;discretas; los problemas en estas situaciones se resuelven generalmente mediante el cálculo de etapas de equilibrioetapas de equilibrio.

La absorción de gases y otras operacionesabsorción de gases y otras operaciones que se llevan a cabo en torres de relleno o equipos similares, generalmente se tratan utilizando el concepto de un proceso difusionalel concepto de un proceso difusional.

Sin embargo, todos los cálculos de transferencia de materia requieren el conocimiento de las relaciones de equilibrio entre fases.

Equilibrio entre fases

Si dos fases llegan al equilibrioequilibrio se alcanza un límite en la transferencia de materia, de forma que dicha transferencia se transferencia se anulaanula. Para que un proceso se realice con una velocidad de producción razonable, es necesario evitar la proximidad del equilibrio, ya que la velocidad de transferencia en cualquier punto es proporcional a la fuerza impulsora que viene dada por el alojamiento del equilibrio en dicho punto.

Por tanto, para evaluar fuerzas impulsoras el conocimiento del equilibrio entre fases adquiere una importancia fundamental. En transferencia de materia son importantes diferentes tipos de equilibrio entre fases.

Clasificación de los equilibrios

OPERACIONES DE ETAPAS DE EQUILIBRIO

Uno de los tipos de dispositivos en transferencia de materia consiste en el acoplamiento de unidades o acoplamiento de unidades o etapas, conectadas entre sí de forma que los etapas, conectadas entre sí de forma que los materiales que se someten a procesamiento pasan materiales que se someten a procesamiento pasan sucesivamente a través de cada etapasucesivamente a través de cada etapa. Las dos corrientes circulan en contracorriente a través del equipo; en cada etapa, se ponen en contacto, se mezclan y se separan. Estos sistemas de múltiple etapa reciben el nombre de cascadascascadas.

Operaciones gas-liquido

La destilación es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla.

Para llevar a cabo la operación se aprovecha la diferencia de volatilidad de los constituyentes de la mezcla, separando o fraccionando éstos en función de su temperatura de ebullición.

Se usa para concentrar mezclas alcohólicas y separar aceites esenciales así como componentes de mezclas líquidas que se deseen purificar

Destilación

TIPOS DE DESTILACIÓN

http://www.youtube.com/watch?v=W7Vlxn4e2v0&feature=related

Esquema general de una columna de destilación

Destilado (D)Reflujo (Lo)

Alimentación (F)

Residuo (W)

Acumulador de Reflujo

Condensador

Rehervidor

Zona de enriquecimiento o rectificación

Zona de empobrecimiento o despojamiento

Alimentación (F)

Residuo (W)

Condensador

Rehervidor

Alimentación (F)

Residuo (W)

Condensador

Rehervidor

Zona de enriquecimiento o rectificación

Zona de empobrecimiento o despojamiento

Destilación simple

Equipos exteriores de una columna de destilaciónEquipos exteriores de una columna de destilación

1. REHERVIDOR, EBULLIDOR O CALDERÍN

Intercambiador de calor que proporciona la energía a la columna para

mantener las corrientes de líquido y vapor en estado de saturación.

Clases de rehervidores según el intercambiador 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

(ver esquemas en la Fig. 9.29, pág. 434 de Treybal)

* Cuando se va a destilar una mezcla acuosa, donde el agua es el

componente pesado, se usa vapor vivo para el calentamiento.

Clases de rehervidores según el funcionamiento

a) Rehervidor parcial b) Rehervidor total

Vapor de calentamiento

Vapor de calentamientoLN

Vapor de calentamientoVapor de calentamiento

Vapor de calentamientoVapor de calentamientoLN

2. CONDENSADOR

Intercambiador tubular que condensa el vapor que llega a la parte superior de la columna. El vapor condensado retorna a la columna como reflujo y lo demás se retira como destilado.

Clases de condensadores según el funcionamiento

Agua de enfriamiento

Agua de enfriamientoV1

Agua de enfriamiento

a) Condensador parcialb) Condensador total

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.

Accesorios internos de una columna de destilación

1. Columnas de platosColumnas de platos

• Platos

• Distribuidor del alimento

2. Columnas empacadas

• Empaque

• Platos soporte para el empaque

• Distribuidor del alimento

• Colectores y redistribuidores de líquido

Esquema de una columna de platos sencilla

Alimento

Acumulador

Condensador Destilado

Residuo

Caldera

Platos

Alimento

Acumulador

Condensador Destilado

Residuo

Caldera

Platos

http://www.youtube.com/watch?v=RlS2mFehnFQ

TIPOS DE PLATOS

La destilación fraccionada vista como destilaciones

instantáneas en serie

V1, y1

V2, y2

V3, y3

L1, x1 L2,

x2 L3, x3

. . . D, yD1

. . . W, xW1

V1, y1

V2, y2

V3, y3

L1, x1 L2,

x2 L3, x3

. . . D, yD1

. . . W, xW1

Etapa de equilibrio en una columna de destilación

Tn-1, Pn-1

Tn, Pn

Tn+1, Pn+1

Tn, Pn

Etapa n

Tn , Pn

Tn-1, Pn-1

Tn, Pn

Tn+1, Pn+1

Tn, Pn

Etapa n

Tn , Pn

NOMENCLATURA

Plato n

Plato n+1

Plato n-1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n

Plato n+1

Plato n-1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n

Plato n+1

Plato n-1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Representación de las corrientes que entran y abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio T-X-Y

Concentración

0% A 100% AXn Yn

100% B 0% B

Xn-1 Yn+1

Concentración

0% A 100% AXn Yn

100% B 0% B

Xn-1 Yn+1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2

Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n

Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

RDA RXDXAX

Componentevolátil

Balance globalBalance global

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Componentevolátil

DLV nn 1

Dnnnn DXXLYV 11

Balance sector enriquecimientoBalance sector enriquecimiento

Línea operativa sector enriquecimiento

L.O.S.E.

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Componentevolátil

Balance sector agotamientoBalance sector agotamiento

Línea operativa sector agotamiento

L.O.S.A.

RLV mm 1

Rmmmm RXXLYV 11

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Parámetros importantes que definen el grado de

separación de una mezcla en una columna de

destilación

1. Relación de reflujo externa, R = Lo / D

2. Relación de reflujo interna, L / V

3. Número de etapas teóricas o unidades de transferencia

Métodos simples para calcular parámetros de

separación en sistemas binarios

1. Método de McCabe - ThieleMétodo de McCabe - Thiele

2. Método de Ponchon y Savarit

Para aplicar este método es necesario conocer: la fase de la alimentación (el porcentaje de

vaporización) la naturaleza del condensador, si es parcial o total relación del reflujo a reflujo mínimo la composición del destilado y del fondo se considera que la presión es constante a lo largo de

la columna

Gracias a este método se puede determinar:

Número de etapas de equilibrio: N Número mínimo de etapas necesarias: Nmin Reflujo mínimo: Rmin Plato de alimentación óptimo

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

Fracción molar en el líquido, x

XA XDXR

L.O.S.E.

XA XDXR

L.O.S.E.

XA XDXR

L.O.S.E.

L.O.S.A.

XA XDXR

L.O.S.E.

L.O.S.A.

XA XDXR

j) Se calcula el número de platos reales, conocida la eficacia de plato (que varía entre 0 y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba. Así:

k) se calculan las necesidades energéticas de la columna, conocidos los calores latentes de cambio de estado, :

reales.platos.número

ideales.platos.númeroplato.eficacia

Vm vssaturado.vapor

V)TT(Cm entradasalidapAFfría.agua

Condiciones límites de operación

Aumento de la razón de reflujo

Disminución de la razón de reflujo

Reflujo Total

Número mínimo de pisos

Reflujo mínimo

Número infinito de pisos

RDopt = 1,2-2 RD min

a) Aumento RD b) Disminución RD

c) Reflujo total d) Reflujo mínimo

a) Aumento RD b) Disminución RD

c) Reflujo total d) Reflujo mínimo

Se desea diseñar una columna de rectificación para separar 10.000kg/h 10.000kg/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno40% de benceno y 60% de tolueno, con el fin de obtener un producto de cabeza (destilado) con 97% de benceno y un producto de cola (residuo) con 98% de tolueno97% de benceno y un producto de cola (residuo) con 98% de tolueno. Todos estos porcentajes están en peso. Se utilizará una relación de reflujo externa de 3,5relación de reflujo externa de 3,5. El calor latente de calor latente de vaporización, tanto del benceno como del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/molvaporización, tanto del benceno como del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol. El calor El calor latente del vapor de agua saturado es de 533,6 cal/g.latente del vapor de agua saturado es de 533,6 cal/g.

a) Calcular los caudales de destilado y residuo producidos.

b) Determinar el número de platos ideales líquido.

Datos de equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg

X 0 0,0169

0,1297

0,2579

0,4113

0,5810

0,7801

Y 0 0,0389

0,2613

0,4561

0,6320

0,7767

0,9002

PROBLEMA

h/kmol ...

F 511692

4010000

PM (CPM (C77HH8 8 ) = 92 g/mol) = 92 g/mol

PM (CPM (C66HH66) = 78 g/mol) = 78 g/mol

(alimentación benceno)

(destilado benceno)

(residuo benceno)

Calculo de caudales de destilado y residuo

BDF BXDXFX

kmol/h 05.51D

kmol/h45.65B

)0235.0()9744.0(

)4402.0)(5,116(

hkmolBD / 5,116

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

Línea alimentación (f=0)

pendiente de rectaf

Línea de alimentación (f=0)

216507778054

Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

LOSE (y= 0.7778x+0.2165)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

LOSE (y= 0.7778x+0.2165)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

Sector enriquecimiento 1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

XFXR XD

Sector enriquecimiento 1

Sector Agotamiento

Lixiviación

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