Destilacion(teoria)

Industrias II – Destilación Filmina 1

DESTILACION – Definición Método para separar componentes de una solución líquida (binaria, ternaria, etc.) Vaporización parcial – Distribución de sustancias en una fase gaseosa y una líquida. El vapor obtenido es más rico en el componente más volátil .

Diagrama simplificado

Principales aplicaciones Obtención de distintos cortes de refinados a partir de petróleo crudo Purificación de solventes.

Otros métodos de separación de componentes de una solución: Desorción Extracción líquido / líquido

vapor

A

B

A

B

A

B

Condensación

Mezcla binaria 50% A 50% B

líquido residual

Calor

Destilación




Introducción teórica - Leyes de equilibrio (Soluciones líquidas binarias ideales A+ B) A= Componente + volátil

Ley de Dalton

PA = yA . P PB = ( 1 – yA ) . P

Ley de Henry

PA = HA . XA PB = HB . XB

Ley de Raoult

PA = XA . PvA(T) PB = XB . PvB

XA . PvA yA = --------------

P

XB . PvB yB = --------------

P

Presión (T = cte) P. ext

Fracción molar XA

100 % A 55 % A 45 % B

PvA

pA

Psolución

pB


Introducción teórica - Diagramas de sistemas binarios (Soluciones líquidas binarias ideales)

Puntos de ebullición

Equilibrio de composición

Temp. (P = cte)

Fracción molar

100 % A solución 40 % A 60 % B

Punto de burbuja

Vapor

Líquido

Punto de rocío

líquido 25 % A 75 % B

vapor 65 % A 35 % B

T1

T2

T3

xA = fracción molar líquidofracción molar comp. A

Temp (P = cte)

y A

Diagrama de puntos de ebullición Diagrama de equilibrio de composición


Introducción teórica - Otras soluciones (Soluciones líquidas binarias reales)

fracción molar comp. A

Presión (T = cte)


Presión (T = cte)


Temp (P = cte)


Temp (P = cte)

x = fracción molar líquido

y = f.m. vapor


y = f.m. vapor

Mezcla Benceno / Etanol Mezcla Cloroformo / Acetona


Introducción teórica - Volatilidad relativa (Soluciones líquidas binarias reales) Volatilidad relativa: definición Medida del grado de separación posible. Es función de las presiones de vapor de cada componente. Es función además de las concentraciones de cada fase (vapor y líquido)

PvA α = --------------

PvB

YA / (1 – YA) α = ---------------------

XA / (1 – XA) La separación por destilación es posible sólo si α > 1


y


y

NO ES POSIBLE separar por destilación ES POSIBLE separar por destilación

α > 1 α = 1


Destilación Flash – Introducción / Proceso Evaporación rápida -En una sola etapa Vaporización de una fracción definida del líquido. Condensación del vapor Se usa para componentes que tienen T de ebullición muy diferentes.

Diagrama simplificado Balance de masa F = D + W F . Xf = D . Yd + W . Xw D = q . F ⇒ W = ( 1 – q ) . F q = cantidad de líquido qur se vaporiza -Destilado obtenido

q = f (entalpía, calor entregado, Δpresión) F . Xf = q. F . Yd + ( 1 – q) . F . Xw Xf ( 1 – q ) . Xw Yd = ------ – -------------------- Q q


intercambiador de calor

válvula

separador

F (alimentación)

D (destilado)

W (líquido)

columna de destilación

Destilación continua.

Contacto continuo del líquido y el vapor Para separar compuestos con puntos de ebullición próximos Múltiples etapas

Qc D xd Lo Xo V L F XF V’

L’ QB W Xw DIAGRAMA SIMPLIFICADO

BALANCES PARA LA COLUMNA COMPLETA F = D+W F *Xf = D * Xd + W * Xw F * HF = D* HD + W * Hw + Qb - Qc Industrias II – Destilación Filmina 8

Rectificación. (PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION) V1 y1 | Qc

D xd Lo xo

V2 y2 QL1 x1

L2 x2

Vi yi Li xi Vn yn Ln xn

Vn+1 Yn+1

Balance Global

Vn+1 = D + Ln

Balance para el componente + volátil Vn+1 * yn+1 = D*xd + Ln * xn yn+1 = (D*xd)/ Vn+1 +(Ln*xn)/Vn+1 Suponemos que: λa = λb Qp = 0 ΔHs = 0 Cp pequeños


Entonces Lo= L1= L2=L3=… =Ln V1 = V2 = V3=… = Vn Como L/V = cte

Resulta

yn+1 = L/V * xn + D/V * xd Recta de operación superior (ROS) Si xn=xd yn+1= xd Se define L/D = R Relación de reflujo

yn+1 = (R/R+1)* xn + (1/R+1) * xd Para xn = o yn+1 = xd/ R+1

yA

Xd/ R+1

XA

x


Agotamiento.

(PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION)

L’o

V’1 L’1 V’2 L’2 V’3 L’3 V’n+1

QB

W Xw

Balance Global

V’1 + W= L’o

Balance para el componente + volátil V’1 * Y1 + W*Xw = L’o *Xo

Y1=- W /V’*Xw +L’/V’*Xo


Ecuaciones simplificadas considerando L’ y V’ constantes Para el plato n resulta:

yn =L’/V’ * xn – W/V’ * xw

Recta de operación inferior (ROI) Si xn=0 yn= xw Y L’/V’ yn xw X


Balance para la alimentación V L T = temperatura del plato F ΔV t= temperatura de la alimentación V’ L’ Si t = T no hay cambios térmicos en el plato ΔV = 0

L’= L + F Si t <T L’ = L + F +ΔV

Calor sensible

Cm = Σci * xi xi = fracción molar del componente i Calor sensible para llevar a F a la temperatura del plato

Calor latente

Regla de TROUTON

λ/ T ≅ cte

λ = calor molar T = temperatura de ebullición absoluta

Qs = F Cm (T-t) = λ ΔV

ΔV = F Cp (T-t)/λ L’ = L + F + F Cp (T-t)/λ = L+ F (λ+(Cp (T-t) )/ λ Industrias II – Destilación Filmina 13

Parametrizando llamamos q a (λ+(Cp (T-t) )/ λ Luego resulta L’ = L + F * q Surgen distintas posibilidades. Líquido frío (no saturado) q >1 Líquido a la temperatura de ebullición (saturado) q =1 Mezcla líquido-vapor 0< q <1 Vapor saturado q = 0 Vapor sobrecalentado q < 0 V’ = V + F (q-1) Buscamos la intersección de la ROS y la ROI para llegar a la ecuación de la recta de alimentación Y = q x - xf q – 1 q -1 Industrias II – Destilación Filmina 14

y xw xf xd

q>1

q=1

q<1

q=0

q<0


RELACION DE REFLUJO MINIMO ECUACIÓN DE FENSKE-UNDERWOOD Para una mezcla binaria

Rm = 1/α * ( xd/xf - α * (1-xd)/ (1-xf) ) REFLUJO OPTIMO Mayor reflujo, mayor consumo de vapor costo

R optimo reflujo L/D Se adapta REFLUJO OPTIMO = 1.5 REFLUJO MINIMO EFICIENCIA DE PLATOS Factores que influyen en la eficiencia Arrastre de gotas . Corto circuito y canalizaciones Elevada perdida de carga Baja Velocidad del gas DIÁMETRO DE LA COLUMNA V = KV *( (δL -δG)/ δG) 0.5

S = CAUDAL DE GAS / VELOCIDAD DEL GAS

FIN

Carga fija (columna)

Costos operativos

Costo total

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