CUESTIONARIO SOBRE DESTILACIÓN BINARIA Y EL MÉTODO DE DISEÑO DE MC CABE THIELE. 1.
Como se le denomina denomina al factor de de separación en destilación y como se define para sistemas con comportamiento real o ideal?
El factor de separación es la razón de las fracciones molares de los dos componentes en el producto 1 dividido por la razón en el producto 2. El factor de separación indica el grado de separación que podemos obtener en cualquier proceso de separación en particular.
2. ¿Qué es una etapa de equilibrio?,¿Qué implicaciones tiene un sistema liquido vapor para que sea una etapa de equilibrio? Las etapas de equilibrio se da cuando hay un íntimo contacto entre la fase vapor (ascendente) y la fase liquida (descendente). Los dispositivos que permiten este contacto entre las más comunes tenemos a campanas de burbujeo, platos de válvulas, platos perforados, rellenos, etc. Cuando el líquido con el vapor esta en equilibrio con su vapor existen una serie de relaciones entre las composiciones de las fases que concurren. Dado que se consideran mezclas completamente miscibles, miscibles, el número de fases f ases presentes será dos: fase liquida y fase vapor. Es decir a una presión y temperaturas dadas, las composiciones en ambas fases estarán fijadas. El equilibrio entre el vapor y el líquido de un compuesto esta representado por la relación de moles de vapor y líquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.
3. ¿Qué es evaporación instantánea? La evaporación instantánea, también conocida como destilación en el equilibrio o evaporación flash, consiste en la evaporación parcial de una mezcla líquida que se propicia por una reducción de presión y/o un calentamiento. La corriente de alimentación recibe un calentamiento y se pasa a través de una válvula de reducción de presión en donde se forma vapor adiabáticamente. El vapor se separa enseguida del líquido en un tanque separador. Se puede tener también una condensación instantánea si una corriente de vapor se enfría y se condensa parcialmente. En ambas operaciones, evaporación y condensación instantánea, puede haber un gran acercamiento al estado de equilibrio si el equipo es diseñado adecuadamente; por esta razón, los cálculos se llevan a cabo bajo la consideración de que las corrient es que salen del tanque separador están en equilibrio. equilibrio.
4. Que es una curva de distribución o curva curva de equilibrio en en sistemas binarios? ¿que representa? Estos diagramas son usados para describir sistemas binarios graficando dos de las tres variables (composición, (composición, temperatura, y presión) a un valor constante de la otra. La curva de equilibrio representa todos los pares posibles de composiciones del vapor y del líquido que salen de las etapas de la columna. Si se pretende relacionar una etapa con otra, se necesitara también una relación entre los pares de composiciones de vapor y líquido que circulan entre dichas etapas.
5. ¿Qué es un azeotropo? Explique si una mezcla que presente un estado como este puede o no separarse por destilación. El azeótropo (o mezcla azeotrópica), es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, es decir como si fuera un solo componente. Ej. El azeótropo entre H2O y Etanol (96%) y con punto de ebullición de 78.2 °C que está por debajo de los puntos de ebullición normales del agua y del etanol. La separación de componentes que tienen aproximadamente las mismas temperaturas de ebullición es difícil de realizar por destilación simple aun cuando las mezclas sean ideales, y una separación completa puede resultar imposible debido a la formación de azeótropos. Para tales sistemas con frecuencia puede mejorarse la separación añadiendo un tercer componente para modificar la volatilidad relativa de los componentes originales. El componente añadido puede ser un líquido de elevada temperatura de ebullición o «disolvente» que es miscible con ambos componentes clave pero que es químicamente más semejante a uno de ellos. El componente clave que es más similar al disolvente tendrá un menor coeficiente de actividad en la disolución que el otro componente, de forma que mejora la separación. Este proceso recibe el nombre de destilación extractiva y es análoga a la extracción líquido-líquido con una fase adicional de vapor. La separación de la mezcla original puede también facilitarse añadiendo un disolvente que forme un azeótropo con uno de los componentes clave. Este proceso recibe el nombre de destilación azeotrópica. El azeótropo constituye el producto de cabeza o de cola que sale de la columna y después se separa el disolvente y el componente clave. Generalmente el material que se adiciona forma un azeótropo de temperatura de ebullición mínima y se retira por cabeza; tales materiales reciben el nombre de «arrastradores». El azeótropo contendrá algo de todos los componentes presentes en
la alimentación, pero estarán en una relación muy diferente de la de los componentes clave en la alimentación.
6. ¿Qué es un proceso de enriquecimiento o rectificación en términos de procesos de separación? Haga una ilustración gráfica de esto. En la zona de enriquecimiento la parte de la columna de rectificación que está por encima de la entrada del crudo; la temperatura de inyección del crudo asciende en esta zona. Cuanto menos volátiles son los vapores, más rápidamente se condensan de nuevo al estado líquido. Los vapores ascendentes se entremezclan intensamente con el líquido enriquecido a este con los componentes de temperatura de ebullición más alta. Por retorno de una parte del destilado de cabeza (reflujo) se establece una corriente continua de líquido en contracorriente con los vapores ascendentes.
7. Que es un proceso de agotamiento o despojamiento en términos de procesos de separación? Haga una ilustración grafica Las etapas de desorción concentra al elemento menos volátil en una corriente liquida. Una corriente de vapor vaporiza (despoja) a los componentes más volátiles desde el líquido. Para generar el reciclo del vapor se suministra calor para vaporizar una porción del líquido de la etapa del fondo. Este vapor es denominado vapor ascendente
8. Que es un proceso de fraccionamiento Es una operación unitaria que consiste en la separación física de una mezcla de dos o más componentes aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor o puntos de ebullición y preferentemente ebullirá el componente más volátil de la mezcla.
9. Describa correctamente la estructura de un sistema de evaporación instantánea.
En el sistema de evaporación instantánea se plantean los siguientes balances: Balances másicos: = 2 + 2
(1)
Balances de calor: ℎ = 2 ℎ2 + 2 ℎ2
(2)
Debido a que: mezcla, Tenemos: ℎ = (1 )ℎ2 + ℎ2
(3)
Donde x = fracción evaporada Despejando x: ℎ ℎ2 = ℎ2 ℎ2 =
− −
=
−
(4)
10. Defina y describa correctamente la estructura de una torre o columna de platos para destilacion binaria convencional. Una alimentacion y dos salidas principales.
En las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla intima entre las corrientes del líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido El número de platos necesarios para efectuar una separación dada vendrá determinado por distintos factores entre ellos es haciendo un balance de masa y energía.
11. Que establece la ley de Raoult La ley de Raoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. la presión parcial de un disolvente sobre una disolución P 1 está dada por la presión de vapor del disolvente puro 0 , multiplicada por la fracción molar del disolvente en ladisolución X 1 = 0
Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. En una solución que sólo contenga un soluto, se tiene que X 1=1-X2, donde X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:
= (1 2 )0 0 = ∆ = 2 0
Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, ΔP es
directamente proporcional a la concentración del soluto presente.
12. ¿Qué es y describa un diagrama de fases tipo T-XY? A T constante, si disminuimos la Presión pasamos de la fase líquida a la fase vapor. Reducir la presión a T cte es una forma de efectuar una destilación pero es más frecuente destilar a P cte elevando la temperatura y necesitamos un diagrama temperatura-composición (disolución binaria ideal). Las líneas de fase indican las composiciones y temperaturas a las que el líquido y el vapor están en equilibrio, siendo la presión cte (1 atm). Nos muestra la composición de las fases en equilibrio a diferentes temperaturas. En la Figura adjunta se muestra un diagrama de este tipo para una disolución binaria ideal. Curva superior: composición del vapor, además nos da la Temperatura de ebullición en función de dicha composición, y A. Curva inferior: composición del líquido, además nos da la Temperatura de ebullición en función de dicha composición, x A.
Figura. Diagrama T-composición correspondiente a una mezcla ideal con A más volátil que B. Ebulliciones y condensaciones sucesivas de un líquido originalmente de composición a1 conducen a un condensado de A puro.
13. Que es y describa una gráfica del tipo H-XY Es un diagrama de fases en un sistema binario que relaciona la entalpia composición del equilibrio liquido-vapor así se tiene:
vs la
El eje de las abscisas contendrá tanto los datos de la composición del vapor como el de líquido (XY) El eje de las composiciones ira de 0 a 1 respecto al componente 1 de izquierda a derecha y para el componente 2 de 0 a 1 de derecha a izquierda En el eje de las Ordenadas ira H ( entalpia)
14. Que es una destilación por lotes o diferencial
Es una Operación discontinua (el material se carga en el equipo y el vapor generado se retira en forma continua). También llamada: Destilación simple por lotes, destilación por cargas. Se realiza en una sola etapa, mediante calentamiento lento y no presenta reflujo. Los vapores se extraen con la misma velocidad con que se forman (no hay acumulación) y se condensan (destilado líquido). Se admite que las composiciones del vapor generado (y) y del líquido remanente (x) se hallan en estado de equilibrio.
No se alcanza el estado estacionario. Composición del líquido remanente varía con el tiempo. Tiene lugar un aumento de la temperatura del sistema. En el líquido remanente, disminuye la cantidad del componente de menor temperatura de ebullición, conforme avanza la destilación.
15. ¿Qué es destilación por arrastre de vapor? La destilación por arrastre con vapor es una técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles que se encuentran en la mezcla, como resinas o sales inorgánicas, u otros compuestos orgánicos no arrastrables. Ley de Dalton Los vapores saturados de los líquidos inmiscibles sigue la Ley de Dalton sobre las presionesparciales, que dice que: cuando dos o más gases o vapores, que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión que si estuviera solo y la suma de las presiones de cada uno, es igual a la presión total del sistema. Su expresión matemática es la siguiente: PT = P1 + P2 + --- Pn Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil. Si uno de los líquidos es agua (destilación por arrastre con vapor de agua) y si se trabaja a la presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición que el agua a una temperatura inferior a 100°C. Esto es muy importante cuando el compuesto se descompone a su temperatura de ebullición o cerca de ella. En general, esta técnica se utiliza cuando los compuestos cumplen con las condiciones de ser volátiles, inmiscibles en agua, tener presión de vapor baja y punto de ebullición alto.
16. Que es el condensador y el rehervidor de una columna? Hervidor: Intercambiador de calor que proporciona la energía a la columna para mantener las corrientes de líquido y vapor en estado de saturación. 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. 17. Que es reflujo y la relación de reflujo de una columna de destilación Es el líquido que retorna a la parte superior de la columna. El reflujo que entra por la parte superior de la columna con frecuencia está a la temperatura de ebullición, pero si está frío, se calienta casi inmediatamente hasta su temperatura de ebullición al ponerse en contacto con el vapor. El empleo de reflujo aumenta la pureza del producto de cabeza, pero no sin algún coste adicional, ya que el vapor generado en el calderín tiene que proporcionar tanto el producto de cabeza como el reflujo, y el coste de esta energía representa una gran parte del coste total de la separación por destilación. Cuando todos los vapores desprendidos en la parte superior de la columna son condensados y devueltos a la misma como reflujo.
18. ¿Explique por qué es posible o no que la formación de espuma sea un problema en la operación correcta de una columna de platos para destilación? La formación de espuma en una columna de destilación es la expansión de líquido que suministra un alto contacto interfacial líquido-vapor. Aunque es una de las causas menos comunes de mal funcionamiento de una columna de destilación, la formación de espuma
puede aumentar hasta que el fluido en un plato se mezcla con el líquido en el plato de arriba en un proceso llamado arrastre. Este proceso disminuye el equilibrio líquido-vapor, lo que frena el proceso de destilación.
19.- Enumera los tipos de platos o bandejas más comunes para torres de destilación. Describe brevemente al menos los siguientes tres: Tipo Sieve o perforados, de capucha o campanas de borboteo y de tipo válvulas?
Burbuja Cap bandejas : Estas bandejas una vez comúnmente utilizados disponen de pequeñas chimeneas, o bandas , que se montan sobre cada uno de los agujeros en la bandeja . Una tapa se coloca sobre cada columna , con un espacio entre para permitir el paso de vapores . Los vapores entran a través de las bandas , y las tapas de los filtran hacia abajo. Los vapores escapan a través de las ranuras de las tapas y pasan a través del líquido en las bandejas , haciendo burbujear . Sieve Bandejas : platos de cedazo, junto con otro tipo llamado platos de válvula , han sustituido platos de campana de burbujas en muchas columnas de destilación. Esto se debe , en parte , son más fáciles de mantener que las bandejas de casquete de burbujeo y también son más eficientes . Platos perforados están construidos de manera muy sencilla ; que consisten en placas de metal con agujeros de diferentes números , tamaños y diseños. El vapor se dirige directamente hacia arriba a través del líquido en estas bandejas Válvula Bandejas : Estas bandejas son similares a platos de campana burbuja en que ellos, también , están equipados con tapas sobre los orificios en las placas . En lugar de tener un espacio entre los orificios y los tapones , sin embargo, platos de válvula tienen tapas que son levantados por la fuerza del vapor que viene a través de los agujeros. Las tapas permiten vapores venir a través y después dirigir horizontalmente a través del líquido en las bandejas. Platos de válvula se mezclan los componentes más a fondo que hacen platos de cedazo
20.- En qué consiste la inundación de una torre? La máxima capacidad de un plato para el manejo de los fluidos de gas y de líquido tiene gran importancia, porque determina el mínimo diámetro posible en la columna. Para un caudal de líquido constante, el aumento de la velocidad del gas produce arrastre excesivo e inundación. En el punto de inundación es difícil obtener un descenso neto del líquido y cualquier cantidad añadida a la columna será arrastrada por el gas de cabeza. El caudal excesivo de líquido puede sobrepasar la capacidad de los bajantes u otros conductos, con el resultado de un aumento de del contenido del líquido, mayor caída de presión y demás características propias de la condición de inundación. 21. ¿En qué consiste el “lloriqueo” en las columnas de destilación? ¿Cómo más se le denomina a este problema? Es provocado por una baja velocidad de flujo del gas a través de los orificios del plato, lo que provoca que el líquido en lugar de bajar por el vertedero y derramadero del plato, lo hiciera por los orificios del mismo.
22.- En qué consiste el arrastre? A cualquier temperatura, siempre hay un pequeño porcentaje de moléculas en un líquido que tienen la suficiente energía cinética como para, si están cerca de la superficie, pasar a estado gaseoso. Una medida de la cantidad de vapor que está en equilibrio con la forma líquida es la presión que ese vapor ejerce sobre el sistema ( presión de vapor ). La presión de vapor aumenta con la temperatura, hasta que se llega a una temperatura en la que la presión de vapor se iguala a la presión externa y se produce la ebullición (temperatura de ebullición).
23. enumere las ventajas, desventajas, y principales aplicaciones específicas de las columnas de platos. VENTAJAS 1. Las columnas de platos dan corrientemente una eficacia - rendimiento separador- mayor que las de relleno y, en cambio, también son mayores para ellas la pérdida de presión y la capacidad de líquido. 2. Tienen una mayor elasticidad de funcionamiento, ya que pueden trabajar a gastos de líquido que serían de inundación para las de relleno, y además lo hacen con análoga eficacia a diversos caudales de líquido, mientras que las de relleno a caudales bajos presentan muy acentuada la formación de canales. 3. las columnas de platos suelen tener un peso inferior y una mejor disposición para la refrigeración aconsejable en los casos en que haya desprendimiento de calory para resistir las dilataciones y contracciones, cuando hay cambios de temperatura debidos a alteraciones en la forma de empleo.
DESVENTAJAS 1. Su coste es, sin embargo, mayor, y sólo se utilizan cuando pueden ser construidas de acero ordinario o cuando el proceso es muy exotérmico y es necesaria una gran refrigeración. A causa del elevado precio de las columnas de platos, hay una creciente tendencia hacia el empleo de torres de platos perforados, más sencillas mecánicamente, y que pueden dar resultados análogos a los de aquéllas en lo que se refiere a eficacias, pérdidas de presión y caudales, si están adecuadamente proyectadas 2. En las columnas de platos la pérdida de carga depende de la forma de las campanas por donde borbotea el gas. PRINCIPALES APLICACIONES Las columnas de platos son poco empleadas en extracción a causa de producir relativamente poca superficie de contacto entre los líquidos. Para mejorar esta característica se han ideado las de placas desviadoras, cuyos tipos más importantes son las de disco y anillo, la de placas laterales y la de placas centrales y laterales
24. Describa en que consiste el método grafico de Mc Cabe Thiele en palabras. El método de McCabe-Thiele, se considera el más simple y quizás el más ilustrativo para el análisis de la destilación fraccionada binaria. Este método usa el hecho de que
la composición de cada plato teórico (o etapa de equilibrio) está totalmente determinada por la fracción molar de uno de los dos componentes del destilado. El método de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de desbordamiento de molar constante que exige que: Los calores molares de vaporización de los componentes de la alimentación son iguales. Así para cada mol de líquido vaporizado se condensa un mol de vapor. Los efectos del calor, tales como calores de disolución y la transferencia de calor hacia y desde la columna de destilación se consideran despreciables.
25.- Para qué tipos de sistemas aplica este método de diseño? Solo es aplicable a mezcla binarios.
Cuando se necesita mas de 25 etapas teóricas.
Cuando las relaciones de reflujo son menores a 1.1Rmin
No es recomendable cuando hay diferencias de temperatura importante entre plato y plato.
El método se puede considerar riguroso para sistemas de isómeros con puntos de ebullición cercanos.
26.- Cuáles son las principales asunciones del método de MC CABE THIELE y que implica cada una de ellas? Explíquelas detalladamente.
Caudales molares de vapor y liquido constantes en cada sector Calor de mezcla despreciable. Columna es perfectamente adiabática Igualdad de calores latentes molares de los componentes de la mezcla. Calor latente molar de vaporización de la mezcla independiente de la composición. Variación de las entalpias específicas de ambas fases es despreciable frente al calor latente de vaporización.
27. ¿Por qué en el diseño de torres de destilación la relación de reflujo externa juega un papel tan importante? ¿Es posible operar columnas a reflujo total o reflujo cero? explique cómo se ve afectado el dimensionamiento de la columna cuando esta relación toma valores extremos. Para efectuar una separación determinada en una columna de destilación continua con rectificación se puede elegir arbitrariamente una relación de reflujo, dentro de ciertos límites como son la relación de reflujo mínima y la relación de reflujo total. En la práctica la relación de reflujo varía dentro de este rango: R.total> R > R.mín De esta relación de reflujo dependerán los costos totales, es decirlos costos fijos (costos de equipos) y los costos de operación. Para un nuevo proyecto la relación de reflujo que debiera utilizarse ha de ser la más económica, es decir aquella para la cual los costos totales son los menores. Esta se conoce como la relación de reflujo óptima, que se determina basándose en un balance económico.
28.- En el diseño de columnas de destilación ¿Cuál es la diferencia de manejar un condensado total y uno parcial? El condensador en la torre de destilación puede ser total, parcial o mixto, ya sea que el destilado se necesite en fase vapor o en fase líquida respectivamente. En un condensador total, todo el vapor a la salida de la torre es condensado, y posteriormente
se separa, donde una parte del líquido se regresa a la torre (reflujo) y la otra es el producto deseado. En un condensador parcial o mixto se obtiene una mezcla líquido-vapor en equilibrio, que luego entra a un separador. En el condensador parcial, el destilado es exclusivamente vapor, mientras que todo el líquido que sale del separador regresa como reflujo a la torre, mientras que para el condensador mixto, el destilado es tanto líquido como vapor, y una parte del líquido se regresa a la torre como reflujo. El reflujo siempre debe entrar a la columna en fase líquida. De la columna de destilación, es posible conocer las composiciones en fase vapor de los productos que salen por el tope, así como también su presión y por ende su temperatura. Estos datos son necesarios para llevar a cabo el diseño del condensador. Así mismo, deben conocerse de antemano, los requerimientos del destilado, para trabajar con el tipo de condensador necesario (total, parcial o mixto).
29.- Qué representan las líneas de operación en el diseño mediante MC CABE THIELE?
Cuando y = x: x = X W. Determinamos las etapas teóricas empezando en X W y escalonando el primer plato hasta XN (Ver figura 5). Entonces, YW es la composición del vapor que pasa por el líquido XN. Procedemos de manera similar con el resto de los platos teóricos que se escalonan hacia arriba de la columna en la sección de enriquecimiento hasta llegar al plato de
alimentación. 30. ¿Qué es la línea “q” en el diseño de Mc Cabe Thiele? ¿Qué valores p uede tomar y de qué depende tales valores? Las condiciones de alimentación se presentan con la cantidad “q”, que se define como
el calor necesario para vaporizar 1mol alimentado a las condiciones de entrada, entre el calor latente molar de vaporización de la alimentación. En términos de entalpía la ecuación de “q” la podemos escribir:
31.- EXPLIQUE EN QUÉ CONSISTEN LOS REQUERIMIENTOS DE AGUA DE ENFRIAMIENTO Y CALEFACCIÓN EN UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN? El agua de enfriamiento se utiliza para la condensación de los distintos productos obtenidos en cada etapa de la destilación. El agua de calefacción se utiliza para el calentamiento de la alimentación de la mezcla.
32.- EXPLIQUE SI EXISTE O NO COLUMNAS DE DESTILACIÓN QUE OPEREN SIN RE HERVIDORES. No ya que los re hervidores son intercambiadores de calor que conectados a la base de una columna de destilación proporcionan el calor necesario para devolver el vapor al fondo de la columna y permitir así que se lleve a cabo la destilación.
33. Ilustre 3 ejemplos de procesos industriales que impliquen destilación binaria.
Separación de tolueno de hidrocarburos parafínicos.
Benceno-Tolueno
Isopropeno-Pentano
34.- QUÉ ES EFICIENCIA DE UNA ETAPA DE SEPARACIÓN? ¿CUÁNTAS CLASES DE EFICIENCIA SE DEFINEN? La eficiencia indica la desviación de la idealidad, permite comparar funcionamiento de una etapa real y una de equilibrio. Existen tres tipos de eficiencia de platos:
Eficiencia global (Eo), se refiere a toda la columna. Eficiencia de murphree, se aplica a un solo plato. Eficiencia local o puntual, se refiere a una localización específica en un plato determinado.
TRABAJO PRÁCTICO: PROCESOS DE REFINACIÓN 1. Explique conceptualmente que diferencias existen entre procesos de destilación, ruptura molecular y upgrade. Nombre y describa brevemente dos de cada tipo. La destilación consigue, mediante calor, separar los diversos componentes. Por ejemplo cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado “destilación fraccional”. En éste, el petróleo es calentado en una columna, llamada también “torre de fraccionamiento o de destilación”. Este proceso (Destilación
atmosférica, también conocido como Destilación primaria o Topping) se realiza a presión atmosférica y a no más de 450 oC. Los procedimientos de “cracking” o craqueo consisten en un ruptura molecular y se
pueden realizar, en general, con dos técnicas: el craqueo térmico, que rompe las moléculas mediante calor, o el craqueo catalítico, que realiza la misma operación mediante un catalizador, que es una sustancia que causa cambios químicos sin que ella misma sufra modificaciones en el proceso.
2. Mencione los tratamientos que se le realizan al crudo previos a la destilación atmosférica y cuál es el objetivo de cada uno. Para evitar o minimizar los efectos perniciosos de las impurezas se realizan fundamentalmente tres tratamientos:
Decantación en Tanques: Consiste en decantar el agua libre que tenga el crudo por gravedad. Por tal motivo la temperatura del tanque es muy importante en esta etapa, ya que la propiedad física que la gobierna es la viscosidad. Evidentemente a mayor temperatura menor viscosidad, y por lo tanto se mejora la velocidad de migración o decantación del agua, pero se debe tener mucha precaución de no superar aquella temperatura que provoque corrientes convectivas, que perjudican directamente la decantación. Desalado: El propósito de este proceso, es eliminar las sales e impurezas que tienen los petróleos crudos, carga de las unidades de Topping. Los sólidos en suspensión y las sales disueltas en muy pequeñas gotas de agua, dispersas en el seno del petróleo son extraídas en los desaladores ya que es antieconómico decantarlas y eliminarlas por gravedad en los tanques de almacenamiento.
Inyección de Hidróxido de Sodio: Al crudo efluente de los desaladores no se les elimina la totalidad de las sales ya que estos equipos tienen una eficiencia de desalado media del 95 %, por tal motivo se les inyecta una solución cáustica para transformar los cloruros de calcio y magnesio en cloruros de sodio. El cloruro de sodio tiene una constante de hidrólisis menor que las otras sales, por lo cual se minimiza la generación de cloruro de hidrogeno y por ende el ataque corrosivo a la unidad.
3. Cuál es el principio físico en el cual se basa la destilación al vacio? Esta técnica se emplea en la separación de líquidos con un punto de ebullición superior a 150ºC. Como un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión externa, se puede reducir el punto de ebullición disminuyendo la presión a la que se destila. Esta técnica se conoce como destilación a presión reducida o destilación al vacío. La destilación al vacío se utiliza cuando el líquido tiene un punto de ebullición excesivamente alto o descompone a alta temperatura. El principio físico en el que se basa el proceso es la diferencia de volatilidad de los componentes, por tal motivo en las columnas fraccionadoras se adecuan las condiciones termodinámicas para obtener o "condensar" los combustibles perfectamente especificados.
4. En una refinería de alta conversión, ¿Cuáles son los destinos típicos de los productos de topping y vacío?
5. En la hoja adjunta se muestra un flowsheet de una unidad de Topping integrada energéticamente con una unidad de Vacío (diagrama 1). a) Identifique cada una de las corrientes de carga y producto de ambas unidades. b) Identifique los principales equipos de ambas unidades. c) Indique a qué productos de la unidad de Topping corresponde cada una de las curvas de destilación del diagrama 2, explique los fundamentos de su elección. 6.En las unidades de topping es comun encontrar una torre preflash previa a la fraccionadora principal. Esta torre puede ser una desnaftadora o simplemente un separador flash explique: a) cual es el objetivo de poner alguno de estos dos equipos previos a la columna de destilación atmosférica? Los objetivos son:
minimizar el efecto por transformación de sales menos perniciosas transformar los cloruros de calcio y magnesio en cloruros de sodio con todo ellos minimiza la formación de ácidos, una vez eliminados las impurezas esto permite también disminuir la carga de los hornos, en efecto disminuye el consumos de combustible
b) enumere que diferencia existe entre una desnaftadora y un separador flash Desnaftadora “La recuperación de tratamiento usan dos bombas” se refiere a la tecnología que
emplean dos bombas en un pozo. Una bomba, o desnaftadora, es instalada para
recuperar una capa flotante de producto petrolífero, la segunda bomba es instalada más profundamente en el pozo y es usada para crear un cono de depresión que controla al gradiente hidráulico. Si el producto petrolífero se encuentran presentes en cantidades suficientes, puede ser refinado y usado después de que se haya quitado.
Separador flash Este tipo de destilador implica la vaporización instantánea que de una parte de una mezcla liquida ya sea mediante calor o reducción de presión. Para lograr los anterior se debe lograr que la mezcla a destilar se encuentre en sus puntos de roció y de burbuja.
c) describa ventajas y desventajas de cada una. Ventajas:
Uso de tecnologías Por las necesidades de recuperación solo de la superficie, este método, es perfecto aplicarlo. Aplicable para obtención de fracciones de petróleo Puede manejar grandes cantidades de sedimentos o lodo. Buena capacidad de oleada. No requiere de mucho espacio físico. Puede ser limpiado fácilmente. Se basa en imágenes vectoriales lo que permite que al calibrar sus tamaños éstas no se pixel en o pierdan calidad. Está respaldado por el 95% de los navegadores y funciona independientemente del sistema operativo. Flash logra presentaciones semi o profesionales de muy buena calidad.
Desventajas:
Uso adicional de energía para los motores de la desnaftadora Diferentes puntos de ebullición de lagunas sustancias lo que dificulta la obtención del producto requerido Requiere mayor espacio físico. Lo extractores de neblina a veces se tapan y explotan.
No es bueno para el manejo de sedimentos o lodo.
7. Describa cualitativamente los perfiles de presión y temperatura a lo largo de una torre de destilación atmosférica. Con que variables de proceso se manejan operativamente dichos perfiles. Variables del Proceso Los paramentos termodinámicos que gobiernan la destilación son la temperatura y presión del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido.
Temperatura de transferencia. Esta es la máxima temperatura a la que se eleva el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en destilados depende de esta variable. Presión de trabajo. Es la presión a la cual se produce la operación. Si bien afecta directamente el equilibrio liquido-vapor, generalmente se trabaja a la menor presión posible, y por ende no se varia frecuentemente. Temperatura de cabeza. Es la temperatura en la zona superior de la columna fraccionadora, se controla con el reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fría que genera la corriente de líquidos que se contactan con los vapores, produciéndose los equilibrios liquido-vapor. Temperatura del corte. Es la temperatura a la cual se realiza la extracción lateral de un combustible. Esta temperatura es controlada con el reflujo de cabeza y reflujos circulantes. Estos últimos tienen un efecto semejante que el reflujo de cabeza y además precalientan el crudo, recuperando energía. Inyección de vapor. El vapor o (incondensables ) en las fraccionadoras disminuye la presión parcial de los hidrocarburos, estableciendo nuevos equilibrios vapor-liquidos, favoreciendo la vaporización de los componentes mas volátiles. Esto se aplica en la columna fraccionadora principal como en los strippers de los cortes laterales.
8. Explique qué funciones cumplen en la unidad de topping: a) El horno b) Los equipos de intercambio de calor a) El horno Su principal función es elevar la temperatura de la sustancia esto para poder separarlos, lo cual se realizara en las torres de fraccionamiento. b) Los equipos de intercambiador de calor. DESALADO:
Elimina las sales e impurezas que tienen los petróleos crudos, carga de las unidades de Topping. TORRE PREFLASH:
Reduce el congestionamiento de flujos en los platos superiores a la zona de alimentación. Permite importantes mejoras, tales como: Reducción del consumo de combustible en los hornos de proceso. o o El incremento de la capacidad de procesamiento de crudo. TORRE FRACCIONARIA:
Permite realizar una serie completa de destilaciones simples, es una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos.
9. explique en que consisten y cual es el objetivo de los llamados pumparound o reflujos circulantes El pumparound sirve para desplazar el calor dentro de una torre de destilación. Controlan la temperatura de las bandejas donde se retiraran los productos, por lo que controlan los puntos de ebullición de estos y por tanto la calidad. Lo que se busca es enfriar y condensar parcialmente los vapores que fluyen hacia arriba para mantener una temperatura óptima dentro de la torre.
Un pumparound consiste en una extracción de una de una corriente de en una columna de destilación. Esta extracción se devuelve a un plato específico superior después de un intercambio de calor donde la corriente extraída se enfría. En términos de ingeniería química, un reflujo circulante actúa como un reflujo intermedio (típicamente, teniendo una salida de vapor, enfriamiento o condensación, y alimentar de nuevo a la columna), y por tanto modifica localmente la relación de líquido a vapor.
10. En las torres de destilación atmosférica y al vacío, desnaftadoras y sidestrippers podemos encontrar elementos tales como: condensadores de tope, reboilers y sistemas de inyección de vapor. Para cada uno de estos elementos indique en qué tipo de torre se puede encontrar cada uno y que función cumplen
en cada caso. Cuando se trate de un intercambiador de calor explique además, que diferentes conoce y en que consiste cada uno. TORRES DE DESTILACIÓN AL VACÍO En esta unidad, la energía necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada totalmente en hornos, diseñados para minimizar la perdida de carga (perdidas de presión) de modo de operar con la menor presión posible en los puntos donde se inicia la vaporización. La carga parcialmente vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilación, donde se produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de líquidos. En estas columnas el princípío de operación es la condensación de los vapores. La torre tiene características particulares, que la diferencian de las fracionadoras atmosféricas. Los dispositivos o elementos mecánicos para producir el contacto liquido vapor, son rellenos especiales (flexi rings, ubicados en lechos ordenados) que permiten incrementar la superficie de interface, favoreciendo la transferencia de masa. El diámetro de la columna es diferente en zona de condensación, respecto de la zona superior o inferior de la misma.
TORRES DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA La carga parcialmente vaporizada ingresa en la zona flash o zona de carga. Los hidrocarburos vaporizados ascienden por la columna fraccionadora a través de bandejas o platos de fraccionamiento, donde se contacta íntimamente líquidos y vapores, produciéndose la transferencia de masa y calor necesaria para fraccíonar los diferentes combustibles. Estos son extraídos lateralmente mediante platos colectores y enviados a torres despojadoras, strippers, donde se ajusta el punto de inflamación de los cortes. Los productos obtenidos por la parte superior o cabeza son gases y nafta. El gas es comprimido y enviado a unidades de concentración de gases. La Nafta es fraccionada nuevamente para obtener dos cortes. La nafta liviana que se envía a isomerizacion o a tanque como carga petroquímica y nafta pesada que es enviada a las unidades de
Hidrotratamiento donde se eliminan los contaminantes, venenos, de los catalizadores de Platforming.
El primer corte lateral es el kerosene, el cual se envía a tanque. Previamente intercambia calor con crudo y es enfriado a temperatura de almacenaje mediante aero enfriadores y enfriadores con agua. El segundo corte lateral es el gas oíl liviano, el cual es tratado en forma semejante al kerosene. El tercer y ultimo corte lateral es el gas oíl pesado de Topping , el cual es enviado como carga a las unidades de lsomax o Catalítico Fluido.
El producto de fondo es el residuo que no se vaporizo en el horno, ya que seria necesario elevar la temperatura por sobre el umbral de crakeo o descomposición térmica de los hidrocarburos de alto peso molecular . Por tal motivo esta corriente es enviada a la unidad de Vacío.
SIDE STRIPPERS Las columnas laterales o despojadores laterales o side strippers retiran los componentes ligeros del producto líquido mejorando el extremo superior del corte de la destilación. Los despojadores laterales pueden ser usados para controlar las propiedades del extremo superior del corte tal como el punto de inflamación del turbo y diesel. La alimentación a los despojadores es una corriente liquida y se retorna una pequeña corriente de vapor a la columna. Existen dos tipos de despojadores laterales: Despojador lateral con vapor: El más común es un despojador con vapor que usa vapor de agua para reducir la presión parcial del hidrocarburo y retirar componentes
ligeros. Ya que la alimentación es vaporizada parcialmente, la temperatura del fondo del despojador será más baja que el líquido de entrada. Despojador lateral con rehervidor: Recirculan el líquido de fondo y vaporizan una pequeña parte que devuelven a la columna despojadora. Los despojadores con rehervidor usualmente son usados para productos ligeros debido a los menores costos de energía de vaporización comparada de las extracciones a alta temperatura.
Para el caso de despojadores con re-hervidor, el objetivo es 10% de vaporización de la corriente de entrada. Esto podría ser más alto para servicios críticos
DESNAFTADORAS La carga está constituida por naftas pesadas de destilación primaria ( Topping ) y naftas pesadas de las Unidades de Coque. Luego de ser calentada, la carga pasa por un sistema de reacción donde el hidrocarburo toma contacto con el hidrógeno en presencia de un catalizador. La corriente de salida del sistema de reacción pasa por un separador de alta presión donde se separa el hidrógeno que no reaccionó junto con parte del sulfhídrico y amoníaco formado, luego la corriente pasa a una torre estabilizadora donde se elimina una pequeña cantidad de gases por la parte superior. Por el fondo sale nafta hidrotratada .
11. De todos los parámetros y variables que intervienen en una unidad de Topping, ¿cuáles de ellos se pueden manejar operativamente y cuáles están determinados por el proceso?
Los paramentos termodinámicos que gobiernan la destilación son la temperatura y presión del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido.
Temperatura de transferencia. Esta es la máxima temperatura a la que se eleva el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en destilados depende de esta variable.
Presión de trabajo. Es la presión a la cual se produce la operación. Si bien afecta directamente el equilibrio liquido-vapor, generalmente se trabaja a la menor presión posible, y por ende no se varia frecuentemente.
Temperatura de cabeza. Es la temperatura en la zona superior de la columna fraccionadora, se controla con el reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fría que genera la corriente de líquidos que se contactan con los vapores, produciéndose los equilibrios liquido-vapor.
Temperatura del corte. Es la temperatura a la cual se realiza la extracción lateral de un combustible. Esta temperatura es controlada con el reflujo de cabeza y reflujos circulantes. Estos últimos tienen un efecto semejante que el reflujo de cabeza y además precalientan el crudo, recuperando energía.
Inyección de vapor. El vapor o (incondensables) en las fraccionadoras disminuye la presión parcial de los hidrocarburos, estableciendo nuevos equilibrios vaporlíquidos, favoreciendo la vaporización de los componentes más volátiles. Esto se aplica en la columna fraccionadora principal como en los strippers de los cortes laterales.
Depende principalmente de los parámetros termodinámicos, presión y temperatura del sistema. Las unidades se diseñan para que se produzcan estos equilibrios en forma controlada y durante el tiempo necesario para obtener los combustibles especificados. La diferencia fundamental entre las unidades de Topping y Vacío es la presión de trabajo. El Topping opera con presiones típicas de 1 Kg/cm 2 (manométrica)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA CURSO: OPERACIONES UNITARIAS 3 CUESTIONARIO: DESTILACIÓN BINARIA Y EL MÉTODO DE DISEÑO DE MC CABE THIELE. PROCESOS DE REFINACION DOCENTE: ING. MANUEL ACOSTA CALDERON INTEGRANTES:
CHAMBI VILCAPE REBECA APAZA SÁNCHEZ YESABELLA SILLOCA QUILLUYA LIZ
GRUPO: “B” AREQUIPA – 2017
