Nicole Acosta Cabero

Operaciones Unitarias II

Ingeniera Qumica

DESTILACION CON RECTIFICACION METODO Mc CABE-THIELE INTRODUCCIN La destilacin flash se utiliza esencialmente para la separacin de componentes que tienen temperaturas de ebullicin muy diferentes. No es eficaz en la separacin de componentes de volatilidad comparable, puesto que tanto el vapor condensado como el lquido residual distan mucho de ser componentes puros. Utilizando muchas destilaciones sucesivas se pueden obtener pequeas cantidades de componentes prcticamente puros, pero este mtodo es muy poco eficaz para las destilaciones industriales cuando se desean separaciones en componentes casi puros. La rectificacin (fraccionada) o destilacin por etapas con reflujo se puede considerar desde un punto de vista simplificado como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de etapas de vaporizacin instantnea, de manera que los productos gaseosos y lquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. El lquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye hacia arriba, a la etapa superior. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de vaporY y una corriente lquida L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio, y de dicha etapa sale unacorriente de vapor y una corriente de lquido en equilibrio. Lo que pasa dentro de la columna se puede observar en la figura siguiente.

Fig.1

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Existen cuatro concentraciones que entran y salen del plato n las cuales son: Vapor que sale del plato (y), Lquido que sale del plato (x) Vapor que entra en el plato (yn+ 1) Lquido que sale del plato (xn 1). En la Figura 2 se representa el diagrama del punto de ebullicin para la mezcla. Las cuatro concentraciones anteriormente citadas se representan tambin en esta figura. Segn la definicin de un plato ideal, el vapor y el lquido que salen del plato n estn en equilibrio, de forma que xn e yn representan concentraciones de equilibrio. Esto se representa en la Figura 2. Puesto que las concentraciones en ambas fases aumentan con la altura de la columna, xn- 1 es mayor que xn, e yn es mayor que yn+1. Las corrientes que abandonan el plato estn en equilibrio pero las que entran no lo estn, tal como puede observarse en la Figura 2 Cuando el vapor procedente del plato n + 1 y el lquido procedente del plato n - 1 se ponen en ntimo contacto, sus concentraciones tienden a desplazarse hacia el equilibrio, tal como se representa por las flechas de la Figura 2. Algo del componente ms voltil A se vaporiza desde el lquido, disminuyendo laconcentracin del lquido desde xn-1 hasta xn, y algo del componente menosvoltil Bse condensa desde el vapor, aumentando la concentracin del vapor desde yn+ 1 hasta y,. Puesto que las corrientes de lquido estn a sus puntos deburbuja y las corrientes de vapor a sus puntos de roco, el calor necesario para vaporizar el componente A ha de ser suministrado por el calor desprendido en la condensacin del componente B. Cada plato de la cascada acta como un aparato de intercambio de calor en el que el componente A se transfiere hacia la corriente de vapor y el componente B hacia la corriente de lquido. Por otra parte, puesto que la concentracin de A, tanto en el lquido como en el vapor, aumenta con la altura de la columna, la temperatura disminuye y la temperatura del plato n es mayor que la del plato n - 1 y menor que la del plato n + 1.

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Fig. 2 La columna de fraccionamiento continuo con secciones de rectificacin y agotamiento es la que se muestra en la Figura 3.

Fig. 3 El funcionamiento de esta columna comienza con la alimentacin en un plato de la parte central de la columna. As el lquido de alimentacin desciende por la columna hacia el caldern y est sometidoa rectificacin por el vapor que asciende desde el caldern.

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Puesto que ellquido que llega al caldern est agotado en el componente A, el producto decola es el componente B casi puro. El plato en el que se introduce la alimentacin recibe el nombre de plato de alimentacin. Todos los platos por encima del plato de alimentacin constituyen la seccin de rectificacin, mientras que todos los platos por debajo de la alimentacin, incluyendo tambin el plato de alimentacin, constituyen la seccin de agotamiento. El lquido fluye por gravedad hasta el caldern B, que es un vaporizador calentado con vapor de agua que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna. El vapor asciende por toda la columna. Los vapores que ascienden a travs de la seccin de rectificacin se condensan totalmente en el condensador C. Esta corriente de lquido recibe el nombre de reflujo. Constituye el lquido que desciende por la seccin de rectificacin que se requiere para interaccionar con el vapor que asciende. Sin el reflujo no habra rectificacin en esta seccin de la columna y la concentracin del producto de cabeza no sera mayor que la del vapor que asciende del plato de alimentacin. El condensado que no es tomado por la bomba de reflujo se enfra en el cambiador de calor E, yse retira como producto de cabeza. MTODO MCCABE-THIELE Se debe tener en cuenta que existen dos condiciones para el uso de este mtodo, estas son: Los flujos internos son constantes. Se debe trabajar con fracciones molares.

Como se menciono anteriormente una columna de destilacin tiene una seccin de enriquecimiento y una fona de agotamiento. Se analizara el comportamiento en cada zona. Zona de Rectificacin La construccin de McCabe-Thiele para el plato superior depende de la accin del condensador. La Figura 4 muestra los diagramas de los balances de materia para el plato superior y el condensador. La concentracin del vapor procedente del plato superior es y1, y la del reflujo que entra en el plato superior es xc.

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El dispositivo ms sencillo para obtener reflujo y producto lquido y uno de los ms frecuentemente utilizados, es el condensador total que se representa en la Figura 4b, que condensa todo el vapor procedente de la columna y proporciona tanto el producto como el reflujo. Cuando se utiliza un solo condensador totalde este tipo, las concentraciones del vapor que procede del plato superior y la delreflujo que va a dicho plato son iguales y pueden ambas representarse por xD. El tringulo a, b, c, de la Figura 5 representael plato superior. Cuando se utiliza un condensador parcial o desflemador el lquido de reflujo no tiene la misma composicin que el producto de cabeza; es decir, xc/xD. El vapor que sale del condensador parcial tiene una composicin y, que es la misma que xD En estas condiciones es aplicable el diagrama de la Figura 5b. El tringulo abc de la Figura 5b representa el plato superior de la columna. Puesto que el vapor que sale de un condensador parcial est normalmente en equilibrio con el lquido condensado, la composicin del vapor y es el valor de la ordenada de la curva de equilibrio donde la abscisa es xc, tal como muestra la Figura 5b. El condensador parcial, representado por el tringulo de trazos aba de la Figura 5b, es por tanto equivalente a una etapa terica adicional del aparato de destilacin.

Fig. 4 a) Plato Superior, b) Condensador Total, c) Condensador Parcial y final.

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LOZR

Fig.5 Construccin Grafica para el plato superior: a) utilizando condensador total, b) utilizando condensador parcial. Para la Fig. 5a se debe tener en cuenta que xD=y1estn en equilibrio. Entonces para graficar el primer plato teniendo la composicin del destilado x D se traza una vertical que choque con la diagonal, luego se traza una lnea horizontal que choche con la curva de equilibrio. Hecho esto se traza una vertical hacia abajo que choca con la lnea de la zona de rectificacin. Mientras con un condensador parcial esta en equilibrio xD=y, entonces con composicin del destilado se traza vertical hasta la diagonal, luego horizontal que choque con la curva de equilibrio. Trazada esta ltima lnea se traza una vertical hacia abajo la cual dar la composicin del lquido que est retornando a la columna xc. La composicin del liquido que retorna a la columna esta en equilibrio con y1, por lo tanto se traza horizontal hasta la curva de equilibrio y por ultimo vertical hacia abajo que da la composicin de liquido que sale del primer plato x1. La ecuacin para la lnea en la zona de rectificacin, es:

Zona de Agotamiento al contrario zona rectificacin que la construccin del primer plato depende del tipo de condensador que se utilizara, en la zona de agotamiento el reboiler indiferente de que tipo se utilice jugara el rol de un plato ms dentro de la columna.

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Fig. 6 Reboiler

Fig. 7 Construccin grafica para el plato inferior y el caldern Como se ve en la Fig. 6 la composicin que sale por el fondo de la columna tiene una composicin xB la misma esta en equilibrio con el vapor que sale del reboiler volviendo a la columna, yr. Por lo tanto con xB se traza una vertical que choca con la curva de equilibrio dando el valor de yr, la composicin yr est relacionada con la composicin del liquido que sale del ltimo plato xb con la lnea de de la zona de agotamiento. Formando de esta manera el plato que corresponde al reboiler. Para el penltimo plato la composicin xb esta en equilibrio con el vapor que esta saliendo al penltimo plato, yb (curva de equilibrio). Y esta composicin se relaciona con xb-1 con la lnea de la zona de agotamiento.

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La ecuacin para esta zona es:

Lnea de Alimentacin En el plato donde se introduce la alimentacin pueden variar el flujo del lquido o el del vapor, o el de ambos, dependiendo de la condicin trmica de la alimentacin. La Figura 8 muestran

esquemticamentelas corrientes de vapor y lquido que entran y salen del plato de alimentacin,para diferentes condiciones de la alimentacin. En la Figura 8a sesupone que la alimentacin est fra y que toda la corriente de alimentacin sesuma al lquido que desciende por la columna. Adems condensa algo de vaporpara calentar la alimentacin hasta el punto de burbuja; esto da lugar a que elflujo de lquido sea an mayor en la seccin de agotamiento y a que disminuya el flujo de vapor en la seccin de enriquecimiento.

Fig. 8 Flujo del plato de alimentacin a diferentes condiciones: a)alimentacin como liquido frio, b)alimentacin como liquido saturado, c) alimentacin como mezcla, d) alimentacin como vapor saturado, e) alimentacin como vapor sobrecalentado.

En la Figura 8b se supone que la alimentacin est en su punto de burbuja. No se requiere condensacin para calentar la alimentacin, de forma que V = V y V = F + L. Si la alimentacin est parcialmente en forma de vapor, como indica la Figura 8c, la porcin de lquido de la alimentacin forma parte de y el vapor forma parte de V. Si la alimentacin es vapor saturado, como muestra la Figura

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8d, todo el vapor forma parte de V, de forma que L = y V = F + . Finalmente, si la alimentacin es vapor sobrecalentado, como en la Figura 8e, parte del lquido procedente de la seccin de enriquecimiento se vaporiza con el fin de enfriar la alimentacin hasta el estado de vapor saturado. Por tanto, el vapor de la seccin de rectificacin consta de (1) el vapor procedente de la seccin de agotamiento, (2) la alimentacin y (3) los moles adicionales vaporizados en el enfriamiento de la alimentacin. El flujo de lquido que pasa a la seccin de agotamiento es menor que en la seccin de enriquecimiento en una cantidad igual a la del vapor que se ha formado. Los cinco tipos de alimentacin pueden caracterizarse utilizando un nico factor, representado por f y definido como los moles de lquido que fluyen en la seccin de agotamiento como consecuencia de la introduccin de cada mol de alimentacin. Por tanto, f tiene los siguientes lmites numricos para las distintas condiciones: Liquido frio f