Destilacion Con Rectificacion

Nicole Acosta Cabero

Operaciones Unitarias II

Ingeniería Química

DESTILACION CON RECTIFICACION METODO Mc CABE-THIELE 

INTRODUCCIÓN

La destilación flash se utiliza esencialmente para la separación de componentes que tienen temperaturas de ebullición muy diferentes. No es eficaz en la separación de componentes de volatilidad comparable, puesto que tanto el vapor condensado como el líquido residual distan mucho de ser componentes puros. Utilizando muchas destilaciones sucesivas se pueden obtener pequeñas cantidades de componentes prácticamente puros, pero este método es muy poco eficaz para las destilaciones industriales cuando se desean separaciones en componentes casi puros. La rectificación (fraccionada) o destilación 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 vaporización instantánea, de manera que los productos gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. El líquido 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 líquida L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio, y de dicha etapa sale unacorriente de vapor y una corriente de líquido en equilibrio. Lo que pasa dentro de la columna se puede observar en la figura siguiente.

Fig.1




Existen cuatro concentraciones que entran y salen del plato n las cuales son: Vapor que sale del plato (y), Líquido que sale del plato (x) Vapor que entra en el plato (y n+ 1) Líquido que sale del plato (x n – 1 – 1). En la Figura 2 se representa el diagrama del punto de ebullición para la mezcla. Las cuatro concentraciones anteriormente citadas se representan también en esta figura. Según la definición de un plato ideal, el vapor y el líquido que salen del plato n están en equilibrio, de forma que x n 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, x n- 1 es mayor que x n, e yn es mayor que yn+1. Las corrientes que abandonan el plato están en equilibrio pero las que entran no lo están, tal como puede observarse en la Figura 2 Cuando el vapor procedente del plato n + 1 y el líquido procedente del plato n - 1 se ponen en íntimo contacto, sus concentraciones tienden a desplazarse hacia el equilibrio, tal como se representa por las flechas de la Figura 2. Algo del componente más volátil A se vaporiza desde el líquido, disminuyendo laconcentración laconcentración del líquido desde x n-1 hasta x n, y algo del componente menosvolátil Bse condensa desde el vapor, aumentando la concentración del vapor desde y n+ 1 hasta y,. Puesto que las corrientes de líquido están a sus puntos deburbuja y las corrientes de vapor a sus puntos de rocío, el calor necesario para vaporizar el componente A ha de ser suministrado por el calor desprendido en la condensación condensación del componente B. Cada plato de la cascada actúa 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 líquido. Por otra parte, puesto que la concentración de A, tanto en el líquido 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.




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

Fig. 3 El funcionamiento de esta columna comienza con la alimentación en un plato de la parte central de la columna. Así el líquido de alimentación desciende por la columna hacia el calderín y está sometidoa rectificación por el vapor que asciende desde el calderín.




Puesto que ellíquido que llega al calderín está agotado en el componente A, el producto decola es el componente B casi puro. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos por encima del plato de alimentación constituyen la sección de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo también el plato de alimentación, constituyen la sección de agotamiento. El líquido fluye por gravedad hasta el calderín 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 través de la sección de rectificación se condensan totalmente en el condensador C. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. Constituye el líquido que desciende por la sección de rectificación que se requiere para interaccionar con el vapor que asciende. Sin el reflujo no habría rectificación en esta sección de la columna y la concentración del producto de cabeza no sería mayor que la del vapor que asciende del plato de alimentación. El condensado que no es tomado por la bomba de reflujo se enfría en el cambiador de calor E, yse retira como producto de cabeza. 

MÉTODO MCCABE-THIELE

Se debe tener en cuenta que existen dos condiciones para el uso de este método, estas son: 

Los flujos internos son constantes.



Se debe trabajar con fracciones molares.

Como se menciono anteriormente una columna de destilación tiene una sección de enriquecimiento y una fona de agotamiento. Se analizara el comportamiento en cada zona. 

Zona de Rectificación La construcción de McCabe-Thiele para el plato superior depende de la acción del condensador. La Figura 4 muestra los diagramas de los balances de materia para el plato superior y el condensador. La concentración del vapor procedente del plato superior es y 1, y la del reflujo que entra en el plato superior es x c.




El dispositivo más sencillo para obtener reflujo y producto líquido y uno de los más 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 x D. El triángulo a, b, c, de la Figura 5 representael plato superior. Cuando se utiliza un condensador parcial o desflemador el líquido de reflujo no tiene la misma composición que el producto de cabeza; es decir, x c /x /xD. El vapor que sale del condensador parcial tiene una composición y’, que es la misma que xD En estas condiciones es aplicable el diagrama de la Figura 5b. El triángulo a’b’c’ de la Figura 5b representa el plato superior de la columna. Puesto que el vapor que sale de un condensador parcial está normalmente en equilibrio con el líquido condensado, la composición del vapor y’ es el valor de la ordenada de la curva de equilibrio donde la abscisa es x c, tal como muestra la Figura 5b. El condensador parcial, representado por el triángulo de trazos aba’ de la Figura 5b, es por tanto equivalente a una etapa teórica adicional del aparato de destilación.

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




LOZR

Fig.5 Construcción Grafica para el plato superior: a) utilizando condensador total, b) utilizando utili zando condensador condensador parcial. Para la Fig. 5a se debe tener en cuenta que x D=y1están en equilibrio. Entonces para graficar el primer plato teniendo la composición del destilado x D se traza una vertical que choque choque con la diagonal, luego se traza una línea horizontal que choche con la curva de equilibrio. Hecho esto se traza una vertical hacia abajo que choca con la línea de la zona de rectificación. Mientras con un condensador parcial esta en equilibrio x D=y’, entonces con composición del destilado se traza vertical hasta la diagonal, luego horizontal que choque con la curva de equilibrio. Trazada esta última línea se traza una vertical hacia abajo la cual dará la composición del líquido que está r etornando a la columna xc. La composición 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 composición de liquido que sale del primer plato x 1. La ecuación para la línea en la zona de rectificación, es:

  

   

  

   

Zona de Agotamiento al contrario zona rectificación que la construcción 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 más dentro de la columna.




Fig. 6 Reboiler

Fig. 7 Construcción grafica para el plato inferior y el calderín Como se ve en la Fig. 6 la composición que sale por el fondo de la columna tiene una composición x B la misma esta en equilibrio con el vapor que sale del reboiler volviendo a la columna, y r. Por lo tanto con x B se traza una vertical que choca con la curva de equilibrio dando el valor de y r, la composición y r está relacionada con la composición del liquido que sale del último plato x b con la línea de de la zona de agotamiento. Formando de esta manera el plato que corresponde al reboiler. Para el penúltimo plato la composición x b esta en equilibrio con el vapor que esta saliendo al penúltimo plato, y b (curva de equilibrio). Y esta composición se relaciona con xb-1 con la línea de la zona de agotamiento.




La ecuación para esta zona es:

  

̅ ̅  

  

   ̅  

Línea de Alimentación En el plato donde se introduce la alimentación pueden variar el flujo del líquido o el del vapor, o el de ambos, dependiendo de la condición

térmica

de

la

alimentación.

La

Figura

8

muestran

esquemáticamentelas corrientes de vapor y líquido que entran y salen del plato de alimentación,para diferentes condiciones de la alimentación. En la Figura 8a sesupone que la alimentación está fría y que toda la corriente de alimentación sesuma al líquido que desciende por la columna. Además condensa algo de vaporpara calentar la alimentación hasta el punto de burbuja; esto da lugar a que elflujo de líquido sea aún mayor en la sección de agotamiento y a que disminuya el flujo de vapor en la sección de enriquecimiento.

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

En la Figura 8b se supone que la alimentación está en su punto de burbuja. No se requiere condensación para calentar la alimentación, de forma que V = V y V = F + L. Si la alimentación está parcialmente en forma de vapor, como indica la

̅ y el vapor Figura 8c, la porción de líquido de la alimentación forma parte de  forma parte de V. Si la alimentación es vapor saturado, como muestra la Figura




̅ y V = F +  ̅ . Finalmente, 8d, todo el vapor forma parte de V, de forma que L =  si la alimentación es vapor sobrecalentado, como en la Figura 8e, parte del líquido procedente de la sección de enriquecimiento se vaporiza con el fin de enfriar la alimentación hasta el estado de vapor saturado. Por tanto, el vapor de la sección de rectificación consta de (1) el vapor procedente de la sección de agotamiento, (2) la alimentación y (3) los moles adicionales vaporizados en el enfriamiento de la alimentación. El flujo de líquido que pasa a la sección de agotamiento es menor que en la sección de enriquecimiento en una cantidad igual a la del vapor que se ha formado. Los cinco tipos de alimentación pueden caracterizarse utilizando un único factor, representado por f y definido como los moles de líquido que fluyen en la sección de agotamiento como consecuencia de la introducción de cada mol de alimentación. Por tanto, f tiene los siguientes límites numéricos para las distintas condiciones: Liquido frio f<0 Liquido hirviente f=0 Mezcla L-V 01 Según un balance másico la formula de f es:

 

             

Lo queda:



 



 

LINEA DE ALIMENTACION

Reemplazando el valor f según el tipo de alimentación, da la pendiente que tendrá la l a línea de alimentación.




Fig.9 Pendientes que toma la línea de alimentación según el tipo de alimentación. f )/f Alimentación fría, -(1- f )/f >1

Alimentación en el punto de burbuja (líquido saturado), -(1- f )/f )/f = 1 Alimentación parcialmente como vapor, 0 <-(1- f )/f <1 )/f <1 Alimentación en el punto de rocío (vapor saturado), -(1- f )/f )/f = 0 Alimentación como vapor sobrecalentado, -(1- f )/f < )/f < 0 También hay otra forma de encontrar f:  

               

Lo queda, según el tipo de alimentación: Liquido Frio  

       

Liquido Hirviente: nada porque ya está como liquido hirviente. Vapor Saturado:  

 

Vapor sobrecalentado: sobrecalentado:   





Calor en Reboiler y Condensador





 




El consumo en el condensador es independiente de la forma como entra la alimentación y dependerá de la relación de reflujo. Mientras que el consumo de vapor de agua en el reboiler va disminuyendo según el tipo de alimentación (liquido frio-liquido hirviente-mezcla-vapor saturadovapor sobrecalentado) esto a que va disminuyendo la cantidad de líquido que se va a calentar. Para el cálculo de calor tanto en reboiler como condensador se usan las formulas:

           ̅            

Relación de Reflujo Existen dos límites entre los que se encuentra la relación de reflujo operativa, estos son la relación de relujo máxima y la relación de reflujo mínima. 

Relación de Reflujo Máxima esto significa que todo lo que se está obteniendo en el tope de la columna se recircula (vuelve) a la columna de destilación, y esto con lleva que la columna tenga un número mínimo de etapas.

  

 

L.O.Z.R. L.O.Z.A

Fig. 10 Relación Máxima numero mínimo de etapas Simplemente para tener el RDmax se hace coincidir la L.O.Z.R y L.O.Z.A. con la diagonal, y se traza tr aza los platos.






Relación de Reflujo Mínimo Una relación de reflujo mínima significa que todo lo que se obtiene por tope de columna, se está obteniendo como producto y casa nada retorna a la columna. Esto significa un número infinito de platos.

  

 

Fig. 12 Relación de Reflujo Mínima número infinito de platos Para trazar RDmin se traza la línea de alimentación (según como está entrando la alimentación), teniendo x D se traza una línea que pasa por la intersección entre la línea de alimentación y la curva de equilibrio. 

MÉTODO LEWIS-SOREL

Con este método se encuentra el número de etapas en la columna de forma analítica. Para este método solo se hace uso de las siguientes formulas:

    

   

   ̅  ̅  

  

  

(I)

  

(II)

 (III) ̅  

Entonces se debe suponer que se trabaja con un condensador total donde x D=xC=y1, lo que significa que si se tiene el valor de x D se tendrá el valor de y 1. Por definición y1 está en equilibrio con x 1, por lo tanto teniendo o calculando α se reemplaza el valor de y1 y α en la ecuación (I), para que luego se despeje el valor de x 1.



   


         

Con el valor de x 1, R D y x D se reemplaza valores en la ecuación (II) que es la línea de operación de la zona de rectificación (L.O.Z.R.), se obtiene el valor de x 2.

 

   

  

   

Luego y2 está en equilibrio con x 2 (se aplica la ecuación (I) nuevamente ahora con el valor de y2), se obtiene el valor de x 2 que está relacionada con y 3 por la línea de rectificación (ecuación II). Se sigue este proceso hasta que el valor x n pase del valor de la composición de la alimentación, entonces el nuevo valor de y n+1 se encontrar con la ecuación de la línea de operación en la zona de agotamiento (ecuación III).

Por ejemplo: Se tiene los siguientes datos x F=0,6; xD=0,95 y y 1=0,95 en la ecuación (I), con α=2,7 y xB=0,13

 

                 

Reemplazando x 1 en ecuación (II), con un R D de 1,5

 

 

  

   

    Reemplazando y2 en (I)

 

                 

 

 

  

   

     

              




     

 

  

 

    

                 

El valor de x 4 es menor que el de x F= 0,6, entonces en vez de usar la ecuación (II) para el cálculo de y 5 se usara la ecuación (III). Suponiendo valor de L= 333 y B= 133

 

   

  

      

   El valor de x 4 se sigue calculando con la ecuación de la curva de equilibrio porque x 4 está en equilibrio con y4

 

                  

 

   

  

      

     

                 

 

   

  

     

                 

      



 

   

  


      

     

                 

 

   

  

      

     

                 

 

   

  

      

    

                 

 

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  

      

    

                

El valor de x 10 pasa el valor de x B= 0,13. Por lo tanto para el ejemplo se tiene 10 platos, de los cuales el cuarto corresponde al plato de alimentación. 

BIBLIOGRAFIA 

Apuntes de Operaciones Unitarias II



Robert Treybal Operaciones de Transferencia de Masa- Cap 9 Destilación pag. 445






McCabe-Smith Operaciones Unitarias en Ingeniería Química- Sección 4 Destilación pag 550



Geankopolis Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias- Cap 11 Destilacionpag 722.



Ocon- Tojo Problemas de Ingeniería Química Tomo I-Cap 5 Destilación pag 309

Destilacion Con Rectificacion

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