Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos
Fundamentos Destilación Multicomponente.
Prof. Jesús F. Ontiveros
Prof. Jesús F. Ontiveros O.
Contenido
Conceptos Básicos. est ac n u t componente. omponentes Métodos Cortos. Métodos Rigurosos.
ave.
Métodos Cortos. Reflujo Total. Ecuación de Fenske. Reflujo Mínimo. Método de Und Under erwoo wood. d. Núm Número ero de et etapa apas. s. Lo Local caliza izació ción n de la etapa óptima de alimentación.
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Conceptos Básicos
Componentes Clave Componentes en los que se basa la separación de la a men ac n. Destilación Multicomponente Destilación Binaria A 1 2 Alimentación (L/V)
AB B C D E F G
Reflujo
AB Destilado C BD D, xD
E
f N Fondo
C D E A B, xB F BG
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Clave Ligero (LK)
Componente más volátil de los que salen tanto en tope como en fondo.
Clave Pesado (HP) Componente más pesado de los que salen tanto en tope como en fondo.
omponentes
str u os
Componentes cuya volatilidad relativa se encuentra entre la del clave pesado y el clave liviano.
1 Alimentación (L/V)
A B C D E F G
Reflujo
Destilado
D, xD
A B C D E
f
Claves
N Fondo
B, xB
C D E F G
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•Balances de Masa engorrosos. •No se puede efectuar cálculo gráfico.
Destilación Multicomponente
• El cálculo riguroso requiere iteraciones etapa por etapa.
Métodos Cortos • Método de Smith-Brinkley • F.U.G. (Fenske, Underwood, Gilligand) • Método de grupo de Kremser
Estimados preliminares confiables para iniciar simulación en un ordenador o computos con métodos rigurosos.
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Métodos Cortos
Reflujo Total. Ecuación de Fenske (1932) El número mínimo de etapas (N min) se obtiene de la correlación de Fenske. Incluye al reboiler y al condensador mixto.
N min
⎛ x LKD ⎞ ⎜ ⎟ x ⎟ log⎜ HKD x LKB ⎟ ⎜ ⎜ x HKB ⎠⎟ ⎝ = og α LK ; HK
xLKD Fracción LK en destilado xHLD Fracción HK en destilado xLKB Fracción LK en fondo xHKB Fracción HK en fondo αLK,HK
oa
a re a va e
(Ec. 1)
αLK,HK
debe ser constante.
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fi ⋅
fi
bi =
1+
d r br
(Ec. 2)
⋅ α i , r
N min
d i =
1+
d r br d r br
N min
α i , r
(Ec. 3)
⋅ α i ,r N
min
d Flujo molar destilado. b Flujo molar de fondo. r= Compuesto de referencia del cual se conozca el flujo en tope y fondo. Volatilidad relativa de i respecto al componente de referencia (HK )
αi,r
N min aumenta: •Si la volatilidad relativa del clave liviano respecto al pesado es pequeña (separaciones difíciles). •A medida que la composición del clave liviano en el destilado o del clave pesado en el fondo aumentan.
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Reflujo Mínimo. Ecuaciones de Underwood (1948)
Deducción Compleja. Asume : Flujo molar constante en las zonas intermedias. Volatilidad relativa constante 1
α i
= (α i,d ⋅ α i,b )2 (Ec. 4,5)
1
α i
n
∑ =1
α i , HK ⋅ zi ,
−
= 1− q
= (α i ,d ⋅α i , f ⋅ α i ,b )3
xi,d Fracción i en destilado (Ec. 6)
⋅ xi ,d = Rmin + 1 α i , HK − ϑ
n α i , HK
∑ i =1
(Ec. 7)
zi
Fracción i en alimentación
q=
( H V − H F ) ( H V − H L )
Rmin Reflujo Mínimo ϑ =
Lmin V min K HK
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Especificada la condición termodinámica de la alimentación se procede a calcular los valores de Ɵ que satisfagan la ecuación 6.
α HK , HK
< ϑ 1 < α LK , HK
(Ec. 8)
Estimado el (los) valor(es) de Ɵ , se plantea la ecuación 7 tantas veces como raíces haya de Ɵ para conocer los valores de R min y las composiciones xi,d .Un estimado inicial de los flujos en tope y fondo puede conocerse por las ecuaciones de Yaw y col. :
d i fi
B
=
10 A α i ,r
1 + 10 ⋅ α , A
bi B
⎛ b HK ⎞ ⎜ f HK ⎟ A = − log⎜ ⎟ b ⎜ 1 − HK ⎟ f ⎝ HK ⎠
(Ec. 9)
B =
fi
=
1 1 + 10 ⋅ A
B α i ,r
(Ec. 10)
⎛ ⎛ d LK ⎞ ⎛ b HK ⎞ ⎞ ⎜⎜ ⎟ ⎜ f LK f HK ⎟ ⎟ ⎜ log ⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟⎟ d b LK HK ⎜⎜ ⎜ 1 − ⎟ ⎜1− ⎟⎟ f LK ⎠ ⎝ f HK ⎠ ⎠⎟ ⎝ ⎝ log (α LK , HK )
(Ec. 11, 12)
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Etapas a Reflujo Real. Correlación de Gilliland (1940)
Método Empírico. Requiere conocer Nmin y Rmin
R = f ( Rmin )
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Localización de la Alimentación. Ecuación de Kirkbride
2
⎥ = ⎢ HK , F ⎜⎜ LK , B ⎟ N A ⎢ z LK , F ⎝ x HK , D ⎠ D ⎥ ⎣ ⎦ R
0 , 206 (Ec. 13)
B Flujo molar de Fondo
NR Etapas de Rectificación N A Etapas de Agotamiento
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