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UNEFM

Fraccionamiento

Ing. Zoraida Carrasquero MSc.

Conceptos clave cl aves s de fraccionamiento fracci onamiento

V1 Zona de

,

Lo Etapa 1

D

Destilado L

, F TF h F

Zona de Al iment im ent aci ón

Al iment im ent ación aci ón

V

F, x F TF, PF, h F

L’

Etapa n

V’

VN+1 ,

N

B

Zona de Ag ot amient ami ento o

Residuo Rehervidor

Conc Concep epto tos s Clav Claves es de Fracc raccio iona nam miento ento

Ing. Ing. Zora Zoraiida Carr Carras asqu quer ero o MSc

Unid Unidad ad II. II. Dest Destil ilac aciión - Dest Destil ilac ació ión n Frac Fracci cion onad ada a

• Etapa idea id eall Una eta a ideal no tiene existencia física o real. En la misma toman contacto dos o mas corrientes (liquido-gas ó por ejemplo liquido-liquido) y se asume que abandonan la misma en estado de equilibrio. Esto implica que el potencial químico de cada componente resulta equivalente, al igual que la temperatura (Scenna, N. J. y col., 1999) .

Interfase Plato real

Liquido Altura equivalente relleno

Fi ura 1. 1. Es Es uema de de un una et eta a de de e uilibrio.

Conceptos Claves de Fraccionamiento

Ing. Zoraida Carrasquero MSc

Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada

Li uido de la eta a superior a ésta V j

W j Vapor de cor riente lateral

L j-1

x L j-1 h L j-1 T j-1 P j-1

y V j HV j T j j

Transferencia de Calor

F j Al imen tac ió n

Etapa j x F j h F j TF j PF j

Q x L j h L j T j P j

y V j+1 HV j+1 j+1

P j+1

(+) Si es de la etapa (-) Si es h acia la etapa

P j Liquido de corriente lateral

En cada etapa de equilibrio se pueden aplicar un conjunto de ecuaciones que re ac onan as variables que determinan el del Estas

equipo.

conocen como ecuaciones

j+1

Vapor de la etapa inferior a ésta

Fi ura 2. Modelo de una eta a de e uilibrio en un e ui o se arador li uido – va or Fuente: Seader,J. D.; Henley, E. J., 2000 Conceptos Claves de Fraccionamiento



• Alimentación La corriente de alimentación es una mezcla de dos o más componentes que se introducen en la columna para su posterior separación. La alimentación puede ser liquida , vapor o mezcla (L + V) y puede introducirse en el tope, fondo o en un punto intermedio entre el tope y fondo. Columna de enriquecimiento : alimentación por el fondo de la columna, generalmente es vapor satura o

Columna de fraccionamiento : a men ac n en r e tope y fondo de la columna

alimentación por el tope de la columna, generalmente es liquido saturado




Es la cantidad de liquido (Lo)) que regresa a la columna para enriquecer el vapor superior y garantizar la temperatura más baja en el tope de la misma. QC

Relación d e Reflujo s uperior

V1

Externa Lo

D xD

Interna

F, x F TF, h F

Relación entre Rext y R in t VN+1

LN

Relación d e Reflujo inferio r B xB R




Reflujo

enriquecer los vapores del tope del producto mas volátil, además de enfriar la parte superior de la torre. •Si no hay reflujo no hay fraccionamiento •Si la cantidad de reflu o es ba a se eva oraría antes de lle ar a los latos inferiores (Se secan los platos situados en la parte inferior de la torre) •Si hay exceso de reflujo, la temperatura de la parte superior de la torre seria muy baja, y no se podrían evaporar todas las partes livianas deseables •Un reflujo total indica que no hay producto de tope, destilado

•

men ac ones secun ar as y sa

as a era es Alimentaciones Secu ndarias

Corrientes de la mezcla original e s n a concen rac n para obtener los mismos componentes entre tope y fondo

Corrientes de roducto de composición intermedia entre el producto de tope y fondo




• Accesorios de la torre: platos y empaques 

Platos.






Platos.

de burbujeo; b) plato perforado; c) plato de válvula. Conceptos Claves de Fraccionamiento





Empaques






Empaques






Empaques




•

omparac n en re co umnas empacadas 1.

Cargas variables de liquido y/o vapor

.

e p a os y co umnas

1.

Columnas de pequeños diámetros ( < 0,6 m)

.

, son imprescindibles bajas caídas de presión

3.

Bajas velocidades de liquido

3.

Medios Corrosivos

4.

Gran número de etapas y/o diámetro

4.

Líquidos que forman espumas, en estas columnas la agitación es menor.

5.

Elevados tiempos de residencia del liquido

5.

Bajas retenciones de líquidos, si el material es térmicamente inestable

6.

Posible ensuciamiento

7.

Esfuerzos térmicos o mecánicos, que pueden provocar roturas del relleno.

8.

Necesidad de utilizar serpentines de .

Fuente: Henley, E. J., ; Seader, J. D., 1998 Conceptos Claves de Fraccionamiento

Zoraida Carrasquero MSc


• Condensador. Tipos. Condensador total Fluido de enfriamiento

Tope de la columna

En un condensador total toda la corriente de vapor que abandona el tope de la columna se , , divide en producto destilado (liquido) y reflujo que regresa a la columna (Lo). Todas esta corrientes tienen la misma composición.

Condensador Si se utiliza un condensador parcial, el vapor de tope, V1 se condensa parcialmente. Entonces el vapor (D) y el liquido (Lo) que salen del condensador están en equilibrio, y el condensador opera como o tr a etap a d e l a c olu mn a.



arcial

Fluido de enfriamiento

Tope de la columna


•

e erv or

En un rehervidor parcial la corriente de liquido proce en e e mo p a o e a co umna, se vapor za parcialmente, el liquido que resulta se extrae como producto de fondo, B, y el vapor se alimenta a la última eta a de la columna ambas corrientes de roducto del rehervidor están en equilibrio; y el rehervidor opera como o tr a etap a d e l a c olu mn a.

Rehervidor parcial

Fondo de la columna

Rehevidor total

Fondo de la columna


El rehervidor total es aquel en que la corriente de liquido procedente de la última etapa de la columna se divide en dos corrientes, una corriente de producto de fondo, , , se vaporiza totalmente y regresa a la última etapa de la columna. Todas esta corrientes tienen la misma composición.





Tipos de Rehervidor

Rehervidor de Marmita Conceptos Claves de Fraccionamiento





Selección de Rehervidor De circulación forzada (5)

De Termosifón

De marmita (6)

e rec rcu ac n

Horizontal

Vertical

Horizontal (2)

Con desviador (4)

Sin desviador

Vertical (3)

Con desviador (4)

Sin desviador

Figura 1. Guía rápida de selección de rehervidores. Fuente: Branan, C. 2000 1 Preferible al de recirculación donde se pueden mantener gastos aceptables de la vaporización (menos de 25 – 30%) Se elige este tipo cuando hay necesidad de minimizar la exposición de sustancias degradables o que producen incrustación, o con ambas características, a temperaturas elevadas e usa para serv c os gran es, proceso suc o o cuan o se requ ere una mp eza recuen e. proceso sue e es ar en e lado del casco. Este tipo se usa en el 95% de las aplicacion es de termosi fón en l as refinerías de petró leo. 3 Se usa para servicios pequeños, proceso limpio y solo se requiere limpieza no frecuente. La vaporización suele ser menor del 30%, pero menor del 15% si la presión de la fraccionadora se encuentra por debajo de 50 psig (lb/plg 2 manométricas). La viscosidad de la alimentación del rehervidor debe ser menor de 0,5 cp. Colóquese una válvula mariposa en la tubería de admisión del hervidor. Este tipo s e usa en casi el 100% de las apli caciones de termo sif ón en las plantas q uímicas (70% de las petroqu ímicas). 4 Mayor estabilidad que cuando no tiene desviador 5 Suele usarse en donde la caída de presión es elevada y, por tanto, la circulación natural no resulta práctica. . . . , tipo es costoso Conceptos Claves de Fraccionamiento



QC

Balance de materia glo bal:

= hD

Balance de materia en el comp onente más volátil: hF

F*x F = D*x D + B*x B Balance de energía:

QR

F*h F + QR = D*h D +B*h B + QC

hB Conceptos Claves de Fraccionamiento



a ance e ma er a y energ a en e con ensa or: neces a es e agua de enfriamiento, m agua .

H V1

QC

HD

V1 = L o + D

hLo

Balance de energía 1

V1

Lo

=

=

o

Lo

D

C

H V1

D,

Qc = V1*(HV1 – h Lo ) = V1 *

C

mezcla, tope

hLo

hD

m agua = QC/(TS,agua – TE,agua) Conceptos Claves de Fraccionamiento



Balance de materia y energía en el rehervidor: necesidades del vapor de calefacción, m vapor Balance de materia global: L N = VN+1 + B hLN

R

H VN+1

hB

Balance de energía: L N*h LN + QR = VN+1*HVN+1 + B*h B

En el rehervidor total: h LN = h B , Q =V

H VN+1

*

, QR

m Conceptos Claves de Fraccionamiento

hLN

hB

=Q /



o umna e es ac n La columna es de metal y tiene corte transversal circular. Contiene platos o etapas donde se efectúa el contacto entre las dos fases (L y V). El vapor fluye hacia el tope de la columna y es más rico en el componente más volátil y el liquido fluye hacia el fondo de la columna y es menos rico en el componente mas volátil. Es decir, los > componen es con i tenderán a salir en el destilado y los componentes con K i *V/L < 1 de fondo. Esquema de columna de destilación de cinco latos T < T < T < T < T a Presión constante. Columna de destilación



ac ores que a ec an a operac

n e a co umna

• Condición de la alimentación  Etapa de alimentación  Composición de la alimentación  Trazas de elementos que puedan afectar el ELV de la mezcla • on c ones a versas e os u os n ernos, qu o y vapor  Inundación (Flooding): El nivel de liquido en el vertedero se hace igual al nivel de liquido en el plato superior, debido a un incremento de la presión en el lato inferior lo ue im ide el descenso del li uido.

 Goteo (Weeping): consiste en la caída de liquido a través de las perforaciones del plato inferior y se debe a que la velocidad del vapor es menor a la necesaria para impedir el paso del liquido. e vapor en sus ascenso se eva par e e liquido hacia el piso superior. Si el arrastre es moderado se denomina Blowing; si el caudal de vapor es elevado se forma un cono de vapor que arrastra el liquido sin lograr el contacto entre las dos fases y se denomina Coning.

• Tipo de contacto  Contacto discontinuo  Contacto continuo Columna de destilación



– ideal

Fig. 3 Concepto de etapa de destilación. (a) Presentación general de una etapa de destilación (b) y (c) Producto de fase simple (no son etapas ideales de destilación); ( d) y (e) Productos en dos fases (etapas ideales de destilación).

Columna de destilación



Especificaciones En el diseño u operación de una columna de destilación se debe , simulación. Normalmente se especifican la presión de la columna, que determina los datos de equilibrio, la composición de la , , bien l a c al idad de l a al imentac ión ; además la temperatura o entalpia del liquido de reflujo.. (Wankat, P. C., 2008).

Variables especif icadas normalmente para desti lación b inaria 1.

Presión de la columna

2.

Flujo másico ó molar alimentado

3.

Composición de la alimentación

4.

Temperatura, entalpia ó calidad de la alimentación

5.

Temperatura ó entalpía del reflujo (en general liquido saturado)

Wankat, P. C., 2008

Especificaciones



Especificaciones y variables calculadas para destilación bi naria en probl emas de diseño. 1. A

2.

Fracción molar del componente más volátil en el destilado, x D Fracción molar del componente más , B

3.

Relación de reflujo externo, Lo /D

4.

Usar el plato óptimo de alimentación

1. 2.

Recuperaciones fraccionarias de componentes en el destilado y fondo, (FR A)dest, (FRB)fondo

3.

Relación de reflujo externo, Lo/D

B

.

C

1. 2. 3. .

D

1. 2. .

DóB XD ó xB Relación de reflujo externo, Lo/D

Flujo m ásico ó mol ar en el destilado, D y B Cargas de calentamiento y enfriamient o, QR y QC , Plato ó ptimo de alimentación Diámetro de columna xD, xB, D, B QR, QC N Nalim Diámetro de la columna BóD XB ó xD QR, QC

sar e p a o p mo e a men ac n xD y xB Relación de vapor del fondo, V/B

min

Diámetro de la columna D y B, QR y QC N, Nalim

sar e p a o p mo e a men ac n

Wankat, P. C., 2008

Columna de destilación



o os

e

se o

ore – ew s

An alít ico s

Smoker – Rose

Fenske

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.

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

Gráficos Entalpia – Concentración

Métodos de Diseño

Calculo plato a plato: se aplica un balance de materia y energía entre os p a os a yacen es cuan o a co umna opera a re u o parc a . e 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.

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.



o os

e

se o

Ecuación d e Fenske

Para el calculo del Numero Mínimo de etapas

Para el calculo del Reflujo mínimo qu o e a men ac n en q= su punto de burbuja) q = 0 (Vapor de alimentación en el punto de rocío)

Métodos de Diseño



Referencias Bibliográficas. •

, . . , . . . equilibrio en ingeniería química. Editorial Reverté. Segunda Edición..

• FOUST, A.; WENZEL,L.; CLUMP, C.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B . (1980) Principles . . . • McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P . (2007) Operaciones unitarias en ingeniería química. Editorial McGraw Hill. Séptima Edición. • GEANKOPLIS, C. J. (1998) Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera edición. Editorial Cecsa • TREYBA L R. (1980). Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición. Editorial McGraw Hill. • WANKAT, P. (2008) Ingeniería de procesos de separación. Segunda Edición. Editorial Prentice Hall.. • MARCILLA GOMIS, A. (1998). Introducción a las operaciones de separación. Calculo por etapas de equilibrio. Publicaciones de la Universidad de Alicante. Edición electrónica Espagrafic..

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