Transferencia de masa. diferencias en la presión de vapor o la solubilidad, en vez del tamaño o la...
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Transferencia de masa
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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
V L
Zona de enriquecimiento o rectificación
Zona de empobrecimiento o despojamiento
Destilado (D)Reflujo (Lo)
Alimentación (F)
Residuo (W)
Acumulador de Reflujo
Condensador
Rehervidor
Destilado (D)Reflujo (Lo)
Alimentación (F)
Residuo (W)
Acumulador de Reflujo
Condensador
Rehervidor
V L
Zona de enriquecimiento o rectificación
Zona de empobrecimiento o despojamiento
Destilación simple
F, zf
D, yD
T, P
W, xW
T, P
F, zf
D, yD
T, P
W, xW
T, P
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
W
VN+1
W
LN
VN+1
Vapor de calentamientoVapor de calentamiento
Vapor de calentamientoVapor de calentamientoLN
W
VN+1
W
LN
VN+1
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
V1
Lo
D
Agua de enfriamiento
V1
Lo
DV1
Lo D
Agua de enfriamientoV1
Lo D
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
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Caldera
Platos
Alimento
Acumulador
Condensador Destilado
Residuo
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Caldera
Platos
http://www.youtube.com/watch?v=RlS2mFehnFQ
TIPOS DE PLATOS
La destilación fraccionada vista como destilaciones
instantáneas en serie
F, zF
V1, y1
V2, y2
V3, y3
L1, x1 L2,
x2 L3, x3
. . . D, yD1
. . . W, xW1
F, zF
V1, y1
V2, y2
V3, y3
L1, x1 L2,
x2 L3, x3
. . . D, yD1
. . . W, xW1
Etapa de equilibrio en una columna de destilación
Ln-1
Tn-1, Pn-1
Ln
Tn, Pn
Vn+1
Tn+1, Pn+1
Vn
Tn, Pn
Etapa n
Tn , Pn
Ln-1
Tn-1, Pn-1
Ln
Tn, Pn
Vn+1
Tn+1, Pn+1
Vn
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
TA
TB
Concentración
0% A 100% AXn Yn
100% B 0% B
Tem
per
atu
ra
Xn-1 Yn+1
TA
TB
Concentración
0% A 100% AXn Yn
100% B 0% B
Tem
per
atu
ra
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
A, XA
D, XD
R, XR
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
RDA
RDA RXDXAX
RD
RA
XX
XXAD
RD
AD
XX
XXAR
Total
Componentevolátil
Balance globalBalance global
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Total
Componentevolátil
DLV nn 1
Dnnnn DXXLYV 11
DL
DX
DL
XL
V
DX
V
XLY
n
D
n
nn
n
D
n
nnn
11
1
Balance sector enriquecimientoBalance sector enriquecimiento
Línea operativa sector enriquecimiento
L.O.S.E.
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Total
Componentevolátil
Balance sector agotamientoBalance sector agotamiento
Línea operativa sector agotamiento
L.O.S.A.
RLV mm 1
Rmmmm RXXLYV 11
RL
RX
RL
XL
V
RX
V
XLY
m
R
m
mm
m
R
m
mmm
11
1
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
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
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
L.O.S.A.
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
L.O.S.A.
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
1
2
3
4
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
1
2
3
4
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
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
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Condiciones límites de operación
Disminución de la razón de reflujo
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Condiciones límites de operación
Reflujo Total
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Condiciones límites de operación
Reflujo mínimo
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Condiciones límites de operación
RDopt = 1,2-2 RD min
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
a) Aumento RD b) Disminución RD
c) Reflujo total d) Reflujo mínimo
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
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
1
Y 0 0,0389
0,2613
0,4561
0,6320
0,7767
0,9002
1
PROBLEMA
44020
9260
7840
7840
,X F
97440
923
7897
7897
,X D
02350
9298
782
782
,X B
h/kmol ...
F 511692
60
78
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
BDF BXDXFX
kmol/h 05.51D
kmol/h45.65B
)0235.0()9744.0(
)4402.0)(5,116(
BD
hkmolBD / 5,116
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
pendiente de rectaf
xx
f
fy F1
Línea de alimentación (f=0)
216507778054
97440
54
53
11.x.
.
.x
.
.
R
xx
R
Ry
D
D
D
D
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
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
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
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
LOSE (y= 0.7778x+0.2165)
LOSA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Sector enriquecimiento 1
23
4
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Sector enriquecimiento 1
23
4
5
Sector Agotamiento
6
7
8
9
10
1112
Lixiviación
