DE��ILACI�N FRACCIONADA Ing. Zoraida J. J. Carrasquer o C. MSc .
C��������
I����������� � �� ����������� ����������� C�������� ������ �� ��������������� ��������������� • E���� ����� �������������, ����������� � ������������ (���� �����) • ���� �� �������������, • R������ • A������������� ����������� � ������� ��������� A��������� �� �� ����� • P�����, ����� • E�������, ����� D��������� ����� ����� �������� �� ������ ������ � �������� �������� ��������� • D��������� C���������� • M������ �� ���������: �����, �������
R��������� � �������� •
M������ �� ���������: �����, P������
•
�����: �������, �������, ������ ������ ������������, ������������, ���������� ���������� �������, �������, ����������
B������� �� ������� � ������� •
E� �� �������
•
E� �� �����������: ����������� �� ���� �� ������������
•
E� �� ����������: ����������� �� ������ �� ������������� �������������
E��������������� �� ������ M������ �� ������ •
A���������: ����� � L����, �������R���, �������R���, F����� F�����
•
G�������: P������ �������, �������� � �������������, �������������, M�C��� � ������
•
C���������� �� ��� �������
F������� F������� �� ������� �� ��������� �� �� �������
�� ������� �� ����������� ������� ������ ��� ���������� ����� ���� ������ �� ���� ������ �� �� ���� ������ ���� ��� � �� ��� ��� �� ���� ������ ���� ���� ��� � �� ���� ���� ��������� ���� �����������, ������� �� �������� �����, �� ������ � �� �� ���� ���� ���� ���� ��� � �� �� ���� ������ ���� ����� ���� ������ ���� ���� �� ���� ������ ���� �� �� �� �����. (����, J., 2003)
Condensador QC V1, y1
Platos
Tambor de destilado
D, xD Lo
F, xF, hF
Zona de Rectificación
Destilado L
V
Etapa ideal Zona de Alimentación
Alimentación
F TF, xF
Plato F L ’
Empaques VN+1 yN+1 LN, xN Producto de Fondo
QR Rehervidor B, xB
Zona de Agotamiento
V ’
Condensador
QC
V1, y1
Reflujo Lo F, xF, hF Accesorios de la columna
Etapa ideal
Alimentación
VN+1 yN+1 LN, xN QR
Producto de Fondo
Rehervidor B, xB
Tambor de destilado
D, xD Destilado
• E���� �����
��� ����� ����� �� ����� ���������� ������ � ����. E� �� ����� ����� �������� ��� � ��� ���������� (����������� � ��� ������� ���������������) � �� ����� ��� ��������� �� ����� �� ������ �� ����������� E��� ������� ��� �� ��������� ������� �� ���� ���������� ������� �����������, �� ����� ��� �� ����������� (������, N. J. � ���., 1999). Vn
Ln-1 xn-1
yn
Alimentación F, xF
Etapa n
Vn+1 yn+1
Ln
xn
Entrada o salida de calor ∆Hn
�� ��������� ��� ��� ����� �� ����� � �� ���������� �� ������ ��� ��� ���������� ���������:
•
�� ����� �� ������ ������������ � �� ������� �� �������� �� ���� �� ����� � �� �������� �� ���� �������;
•
����� ��� ����������, ������� � �����, ��� ������ � �� ����� ����� �� �������� ������ � ������������� ��������;
•
L� ��������� �� ����� ��� ���� �� �� ����� ���� �� ���������� ��� �� ��������� ������� ��� ���� �� ��� ����� �����.
Concepto de etapa de equilibrio. ( a ) Presentación general de una etapa de equilibrio ( b ) y (c ) Producto de fase simple (no son etapas ideales de equilibro); ( d ) y (e ) Productos en dos fases (etapas ideales de equilibrio). Fuente: Kister, H., 1992.
• A�����������
L� ��������� �� ������������ �� ��� ������ �� ��� � ��� ����������� ��� �� ���������� �� �� ������� ���� �� ��������� ����������. L� ������������ ����� ��� ������� , ����� � ������ (L + �) � ����� ������������ �� �� ����, ����� � �� �� ����� ���������� ����� �� ���� � �����.
D� ������� � �� ��������� �� �� ��������� �� ������������ �� �� �������, �� ����������: •
C������ �� �����������
•
C������ �� ���������������
•
C������ �� ���������������
C������ �� �����������: ������������ ��� �� ���� �� �� �������, ������������ �� ������� ��������.
C������ �� ��������������� : ������������ ��� �� ����� �� �� �������, ������������ �� ����� ��������
C������ �� ���������������: ������������ ����� ���� � ����� �� �� �������
• C����������.
P�� �� �������, ��� ������� ��������� ����� ��� ���� �� ������� ��������. C��� �� ������ ���� �� �� ���� �� ���, �� ������� ����� ��������� ¾ ���, 16 BG�, 16 ��� �����.
D���������� ��� ������ ������ ��� ��������� �� ���������� ��� �����: ����� � �������. Condensador Parcial
Condensador total
Líquido destilado
Mezcla destilado
Vapor destilado
����������� ����� V yV
V1 y1
Lo xo L xL
V yV
Vapor
Líquido
Lo
D xD
xC = xD = y1
E� �� ����������� ����� ���� �� ��������� �� ����� ��� �������� �� ���� �� �� ������� �� �������� �, ��������������, �� ���������� �� ������ �� �������� ��������� (D) � ������� ��� ������� � �� ������� (L �). ����� ����� ���������� ������ �� ����� �����������.
����������� �������
Condensador parcial V1 y1
Vapor
Vapor y
Líquido Lo , xo
Condensador Total
Líquido
�� �� ������� �� ����������� �������, �� ����� �� ����, �1 �������� ������������. E�������, �� ����� (D) � �� ������� (L �) ��� ����� ��� ����������� ����� �� ����������, � �� ����������� ����� ���� ���� ����� �� �� ������� .
������ �� ���������
R����� �� ������� ����������. D�� ������ �� ��������� ���� �� ������� ��� �� ��������� �� ���� �� �� ����� � �� �������� �� ���� � ���������. A������ �����, ��� ������� ��� ����� ��� ���� �� �� ����� ��������� ������������� ��������� ��������, ����� ���� ������ � �����. E���� �� ��� ������������ � ������������ ��������. E�������, ����� ��� ������ �� ��������� ��� �� ����� �������� ���� �����.
Líquido Condensado
Producto que no condensa a condiciones normales de P y T
Rango de operación normal
Nivel de agua Agua
Alto nivel “Alarma” Nivel de líquido normal Bajo nivel “Alarma”
Reflujo y Producto Líquido
• ������� E� �� �������� �� ������� (L �)) ��� ������� � �� ������� ���� ���������� �� ����� �������� � ���������� �� ����������� ��� ���� �� �� ���� �� �� �����. Vapores de tope Reflujo externo
Fluido de Enfriamiento
Condensador Condensación del reflujo externo
C������� � �������� �� ����� ��������
Reflujo interno
Tambor de Reflujo
Destilado o Producto de tope
�������� �� ������� ��������
QC
V1
E������ Lo
D, xD
F, xF, hF
I������ �������� ����� ���� � ���� VN+1 yN+1 LN, xN QR B, xB
�������� �� ������� ��������
�������
•
�� �� ��� ������� �� ��� ���������������
•
�� �� �������� �� ������� �� ���� �� ���������� ����� �� ������ � ��� ������ ���������� (�� ����� ��� ������ �������� �� �� ����� �������� �� �� �����)
•
�� ��� ������ �� �������, �� ����������� �� �� ����� �������� �� �� ����� ����� ��� ����, � �� �� ������� �������� ����� ��� ������ �������� ���������
•
�� ������� ����� ������ ��� �� ��� �������� �� ����, ���������
• ����������
A������ ������� ���� ��� �� �������� ��� ������������ ������� �� ��� ��������� �� ����� �� ��� �������, ��� �� ������ �� �������� ��� ���� ������� ��� ������� �� ��������������� �� �� ������� �� ����������� �� �� ����� (G��� ������ �� ������� ������������, �LA).
�����������: �� ������ ���� ��������� ������������� ��� ��������� �� �������.
���������� �������
F���� �� �� �������
LN xL
VN+1 yV
B xB
E� �� ���������� ������� �� ��������� �� ������� ���������� ��� ������ ����� �� �� �������, �� �������� ������������, �� ������� ��� ������� �� ������ ���� �������� �� �����, B, � �� ����� �� �������� � �� ������ ����� �� �� �������; ����� ���������� �� �������� ��� ���������� ����� �� ����������; � �� ���������� ����� ���� ���� ����� �� �� �������.
���������� �����
VN+1
LN
B xB
E� ���������� ����� �� ����� �� ��� �� ��������� �� ������� ���������� �� �� ������ ����� �� �� ������� �� ������ �� ��� ����������: ��� �� �������� �� �����, B, � �� ���� �� ������������ ��� ����������, ����� �� �������� ���������� � ������� � �� ������ ����� �� �� �������. ����� ����� ���������� ������ �� ����� �����������.
����� �� ����������
Termosifón horizontal o vertical
E� ������� ��� ����� �� �� ������� ������� ������������ ����� �� ���������� ����� �� ������������ ����������
Rehervidor tipo Kettle
E� ������� �� ����� �� �������� ������������ � �� ������ �� ��� ����� ������� � �����
Calentador directo
E� ������� �� ����� �� �������� � ��� ����� ��� ���������� ����� �� ������������ ����������
Rehervidor directo
E� ������� �� ������ ��� ������ ����� ��� ����� � ���� �� ����������. L�� ����� ����� � ������� ��� ��������� �� �� ����� �� �� �������.
F������ ��� ����� �� �� ����������
Flujo de vapor
Vapor generado en el rehervidor
Reflujo interno
Rehervidor Fluido de calentamiento Vaporización parcial
Líquido de fondo de la columna
Residuo o producto de fondo
���������� ������������ �� ������� ��� ������� ��� ����� ��������, ������ �� ������� �� ����� ����� �� ������
Tabla 1. Comparaci�n de los rehervidores. Tipo De marmita
Ventaja ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
Vertical de paso continuo
∗ ∗ ∗ ∗
Vertical de Circulación natural
∗ ∗ ∗
Un plato teórico De fácil mantenimiento Separación de vapor Baja altura del faldón Maneja velocidades mayores a 0,5 cp Fácil de controlar No existe limite sobre la carga de vapor Un plato teórico Tubería sencilla y compacta No se incrusta con facilidad De menor costo que el de marmita Buena facilidad de control Tubería sencilla y compacta De menor costo que el de marmita
Desventaja ∗ ∗ ∗ ∗
∗
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
∗
∗ ∗ ∗
Horizontal de paso continuo
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
Horizontal de circulación natural
∗ ∗ ∗ ∗ ∗
De circulación forzada
∗ ∗
∗ ∗
Un plato teórico Tubería sencilla y compacta No se incrusta con facilidad Menor altura del faldón que en el vertical Menor caída de presión que en el vertical Pueden tenerse tubos mas largos Facilidad de mantenimiento De menor costo que el de marmita Facilidad de mantenimiento Menor altura del faldón que en el vertical Menor caída de presión que en el vertical Pueden tenerse tubos mas largos De menor costo que el de marmita
∗
Un plato teórico Maneja líquidos fuertemente viscosos que contienen sólidos Circulación controlada Coeficiente de transferencia mas elevado
∗
∗ ∗
∗ ∗ ∗ ∗
∗ ∗
Tubería y espacio adicionales Costo elevado Se incrusta con los líquidos sucios Alto tiempo de residencia en la zona de calentamiento para la tenencia a la degradación de algunos fluidos Sección de compensación del rehervidor con bajo tiempo de residencia. De difícil mantenimiento Altura elevada del faldón No se tiene control de la circulación Facilidad moderada de control No hay plato teórico Acumulación de componentes de elevado punto de ebullición en la línea de alimentación; es decir la temperatura puede ser ligeramente superior a la del fondo de la torre Un nivel de líquido demasiado alto por encima del de diseño podría causar que el rehervidor tenga menos capacidad. Se incrusta con mas facilidad De difícil mantenimiento Altura elevada del faldón No se tiene control de la circulación Facilidad moderada de control Altura elevada del faldón
No hay plato teórico Espacio y tubería adicionales, en com paración con el vertical Se incrusta con mas facilidad, en comparación con el vertical Acumulación de componentes de punto de ebullición elevado en la línea de alimentación; es decir la temperatura puede ser ligeramente mas alta que en el fondo de la torre El de costo mas elevado con tubería y bombas adicionales Costo de operación mas alto Requiere un área adicional de la planta
• A��������� �� �� �����: ������ � ��������
������
������ Plato Perforado
��
����
����������� �����������
������ ��
�����
������
��
�������,
������������ ����� �� ������ Válvulas fijas
����� ���� ����� ������ ��
Válvulas flotantes
�������� �� ����� � �� �������
Platos con bajante múltiple
Platos de copas de burbujeo
L�� �������� ����������� � ���������� ������ �� �������� ��� ������������ �� ��� ������ �� ������� ��� ��������, ���������� � ������� ���:
• C���� • C�������� •
R���� �� ���������
• E������� •
C���� �� �������
L�� ������ ���������� ��� ��� ��� ������� � ����� ��������� � ��� �������������� � ��� �������������� ���� �� ������� �� ��� ������������. L�� ������ �� ������� ���� ��� ���� ��� ������� ���� ��� ���������� � ���
�������� �� �������������� �� �������. L� ������ �� �� ����������� ������������ ��������� �� ���������� �� �� ����� � ���� ���� �� ����� �� ���������� ������������ ���� ������������ ��� ������� �� ��������������. �� ������ ���������� ��� ������ �� ������� ����� �� �� �� ����� �������� �� �������� �� ������� ������������ ��� ��� ������ ���������� � ��� �� ������� ����. ��� �������� �� �������� ���� �� ����� ���� ������ �� ������� ��� �� ����
������ �� ����� � �� �������� �� ������� �������� ��� ������� � ��������� ������.
L�� ���������� ������� �� ��� ����� �� �������� �� ������ ��� :
•
P����������� �� ���� �������� ������� � �����
•
P����������� ��� ��������� ���������� ��� ������� ���� ������� ��� ����� ������������� �� ���� (�������� �������)
•
����� �� ���� ���������� � ��������� ���� �������� �� �������� �� ����� �� ������� ��� �� ����� � �� ����� �� ������� ������ �� ��� ������� ����������.
•
����� ���������� ���� �� �� ������� ���� ��� �� ������� ������� ���������� �� ����� � �����.
E�������
E������� �� ����
E������ ������������
E������� �� ����
E������ ������������
C���������� ����� �������� �� ������ � �������� ��������� � �� ��������. C������� �� ������
C������� E��������
1.
C����� ��������� �� ������� �/� �����
1.
C������� �� �������� ��������� ( < 0,6 �)
2.
P�������� ���������� � �� �����������
2.
D������������ �������� �� �����, ����� ��� ��������������� ����� ������ �� �������
3.
B���� ����������� �� �������
3.
M����� C���������
4.
G��� ������ �� ������ �/� ��������
4.
L������� ��� ������ �������, �� ����� �������� �� ��������� �� �����.
5.
E������� ������� �� ���������� ��� �������
5.
B���� ����������� �� ��������, �� �� �������� �� ������������ ���������
6.
P������ �������������
7.
E�������� �������� � ���������, ��� ������ �������� ������� ��� �������.
8.
N�������� �� �������� ����������� �� ������������� �� �� �������.
• A������������� ����������� � ������������ ��������� QC
V1
A������������� �����������
Lo
D, xD
A1, x1A
A3, x3A
C��������� �� �� ������ �������� �� �������� ������������� ���� ������� ��� ������ ����������� ����� ���� � �����.
A4, x4A
A2, x2A VN+1 yN+1
E����������� ���������
LN, xN QR B, xB
C��������� �� �������� �� ����������� ���������� ����� �� �������� �� ���� � �����
B������� �� ������� �� ��� ������� �� ������
A, D, B: F����� ������� ������� ���� �� ������������, �� ��������� � �� �������
A�, D�, B�: F����� ������� ������������ ��� ���������� � �� �� ������������, ��,A
�� �� ��������� � �� �� �������
��A,
��D,
��B:
��������
�����
���
���������� � �� �� ������������, �� �� ��������� � �� �� �������.
B������ �� ������� ������ :
A=D+B
B������ �� ������� �� �� ���������� ��� �������:
A.��,A = D.��,D + B.��,B C��������� ��� ���������� ����������, �� �������� ��� ������ �� ��� ���������� �� ���� (D) � ����� (B): ∗
� � � �
∗
� � � �
B������� �� ������� �� ��� ������� �� ������
B, hB
∗ � ∗ ∗
B������ �� ������� � ������� �� �� �����������: ����������� �� ����
�� ������������, �����. V1 y1
Vapor
B������ �� ������� ������: �1 = �� + D
B������ �� �������:
Líquido
Lo
D xD
�1*H�1 = ��*��� + D*�D + � C
E� �� ����������� ����� �D = �L, ��������: Qc = V1*(HV1 – hLo) = V1 * λmezcla, tope
V1 y1
Vapor
Vapor y
Líquido Lo , xo
B������ �� ������� � ������� �� �� ����������: ����������� ��� ����� ��
�����������, ������ B������ �� ������� ������:
F���� �� �� �������
�� = ��+1 + B LN xL
VN+1 yV
B������ �� �������: ��*��� + � � = ��+1*H��+1 + B*�B B xB
E� �� ���������� ����� �LN = �B, � � = ��+1*�����
VN+1
LN
B xB
C������ �� �����������
L� ������� �� �� ����� � ����� ����� ����������� ��������. C������� ������ � ������ ����� �� ������� �� �������� ����� ��� ��� ����� (L � �). E� ����� ����� ����� �� ���� �� �� ������� � �� ��� ���� �� �� ���������� ��� ������� � �� ������� ����� ����� �� ����� �� �� ������� � �� ����� ���� �� �� ���������� ��� �������. E� �����, ��� ����������� ��� � � *�/� � 1 �������� � ����� �� �� ��������� � ��� ����������� ��� � � *�/� � 1 �������� � ����� �� �� ��������� �� �����.
E���������������
E� �� ������ � ��������� �� ��� ������� �� ����������� �� ���� ����������� ��� ���� �������� �� ���������, ����� �� ������ ���� �� ����������. N���������� �� ����������� �� ������� �� �� �������, ��� ��������� ��� ����� �� ����������, �� ����������� �� �� ������������, ����� � ����������� � �� �������� �� �� ������������, � ���� �� ������� �� �� ������������; ������
�� ����������� � �������� ��� ������� �� �������.. (������, P. C., 2008).
E��������������� � ��������� ���������� ���� ����������� ������� �� ��������� �� ������. ��������� ������������� ����������� ���� ����������� �������
1.
P������ �� �� �������
2.
F���� ������ � ����� ����������
3.
C���������� �� �� ������������
4.
�����������, �������� � ������� �� �� ������������
5.
����������� � �������� ��� ������� (�� ������� ������� ��������)
��������� �������������
E� ��������� �������
1. F������� ����� ��� ���������� ��� ������� �� F���� ������ � ����� �� �� ���������, D � B
�� ���������, �D
C����� �� ������������� � ������������, Q R
A 2. F������� ����� ��� ���������� ��� ������� �� � Q C
�� ��������� �� �����, �B 3. R������� �� ������� �������, L�/D 4. ���� �� ����� ������ �� ������������
N����� �� ������, N P���� ������ �� ������������ D������� �� �������
F������� ��� ������� �� ��������� �� �� ������� 1. C�������� �� �� ������������
�. E���� �� ������������ �. C���������� �� �� ������������ �. ������ �� ��������� ��� ������ ������� �� EL� �� �� ������
2. C���������� �������� �� ��� ������ ��������, ������� � �����.
�. ���������� (��������)� �� ����� �� ������� �� �� ��������� �� ����
����� �� ����� �� ������� �� �� ����� ��������, ������� � �� ���������� �� ������� �� �� ����� ��������, �� ��� ������ �� �������� ��� �������.
�. ����� (�������)� �������� �� �� ����� ��� ������� � ������ �� ���
������������� ��� ����� � �� ���� � ��� �� ��������� ��� ����� �� ����� � �� ��������� ���� ������� �� ���� ��� �������. �. �������� (�����������)� �� ����� �� ��� ������� �� ����� ����� ���
������� ����� �� ���� ��������. �� �� �������� �� �������� �� �������� B������; �� �� ������ �� ����� �� ������� �� ����� �� ���� �� ����� ��� �������� �� ������� ��� ������ �������� ����� ��� ��� ����� � �� �������� C�����.
3. ���� �� ��������
�. C������� �����������: C������ �� ������ �. C������� ��������: C������ ��������.
������� �� ������
Sorel – Lewis
Analíticos
Smoker – Rose
Fenske
Gráficos
Calculo plato a plato: se aplica un balance de materia y energía entre dos platos adyacentes cuando la columna opera a reflujo parcial. Se supone que la columna opera adiabáticamente y que no existe calor de mezcla; que las líneas de líquido y vapor saturado en un diagrama de entalpia concentración son paralelas. La ecuación de Smoker’s es conveniente utilizarla en separaciones binarias con un gran número de etapas. Esta asume volatilidad relativa constante y flujo molar constante; es esencialmente una solución analítica del diagrama x-y. Considera volatilidad constante y supone que las etapas son de equilibrio
Ponchon – Savarit
Involucra balances de materia y energía y las relaciones de equilibrio de fases. Es un método riguroso, pero requiere información detallada sobre las entalpías. Es una solución grafica del método de Sorel.
McCabe – Thiele
Es la forma mas simple de representar una solución grafica de una clásica separación de N+1 etapas de equilibrio con flujos de liquido y vapor en contracorriente
Entalpia – Concentración
Se considera la destilación mediantes datos de entalpia- concentración y con velocidades de derrame molal no necesariamente constantes. Se aplican balances de materia y de entalpia.
�������� �� ������ P��� �� ������� ��� ������ ������ �� ������
P��� �� ������� ��� ������� ������ �= 1 (������� �� ������������ �� ��
����� �� �������)
� = 0 (����� �� ������������ �� ��
����� �� �����)
������ ������� �������
������ ������������� ( ���� ������������ �� ���� �����)
B����������� ����������� •
�A��A�, �. (2008) I��������� �� �������� �� ����������. ������� E������. E��������
P������� H���. •
��CABE, �.; ����H, �.; HA������, �. (2007) O���������� ��������� �� ����������
�������. E�������� M�G��� H���. ������� E������. •
HE��E�,
E.�.; �EADE�, �. D. (1998). O���������� �� ���������� ��� ������ ��
���������� �� ���������� �������. E�������� R������. ������� E������. •
F����, A.; �E��E�,�.; C����, C.; �A��, �.; A�DE��E�, �. B. (1980) P��������� ��
���� O���������. ������� E������. J��� ����� & ���� ��������. •
��E�BA� �. (1980). O���������� �� ������������� �� ����. ������� �������. E��������
M�G��� H���. •
GEA�������, C. �. (1998) P������� �� ���������� � ����������� ���������. �������
�������. E�������� C����. •
�A�C���A G����, A. (1998). I����������� � ��� ����������� �� ����������. C������
��� ������ �� ����������. P������������ �� �� ����������� �� A�������. E������ ����������� E���������.