OBTENCIÓN DEL OXÍGENO, NITRÓGENO Y ARGÓN MEDIANTE EL PROCESO DE LA DESTILACIÓN FRACCIONADA UTILIZANDO UNA COLUMNA DE PLATOS Christian Siverio
OXÍGENO CARABOBO C.A Ubicada en Planta O.N.A Gerente de Planta: Víctor Martínez Supervisor de producción: Arnaldo Salas
INTRODUCCIÓN La operación de la destilación, se trata de un proceso físico utilizado en el campo de la química con el propósito de separar una mezcla homogénea de líquido mediante el calor y con un amplio intercambio calorífico y másico entre los vapores y líquidos. El fundamento de este proceso se basa en los puntos de ebullición de cada uno de los componentes de la mezcla. Cuanto mayor sea la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias de la mezcla, más eficaz será la separación de sus componentes; es decir, los componentes se obtendrán con un mayor grado de pureza.La pureza.La destilación se utiliza ampliamente en la industria, permitiendo procesos como la obtención de bebidas alcohólicas, refinado del petróleo, obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos. Es uno de los métodos de separación más extendidos. También se puede clasificar en: destilación al vacío, destilación azeótropica, destilación simple y por último la destilación fraccionada; el cual el ultimo tipo mencionado anteriormente será estudiado debido que es utilizado en la obtención del oxígeno, nitrógeno y el argón [1].
EL AIRE El aire como materia prima es prácticamente inagotable. Está constituido por una mezcla de nitrógeno y oxígeno como elementos básicos (un 99%), y el resto son gases nobles, entre los que predominan el argón, y poquísimo hidrógeno, estos gases constituyen la atmósfera, y dependiendo de la altitud en la que se encuentren con respecto a la capa terrestre, de mayor a menor distancia, forman parte diferenciada de las capas de la atmosfera, como son la troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera y exosfera. Normalmente en el aire existen otras sustancias, como vapor de agua en cantidad variable, dióxido de carbono (0,03% en
volumen es el valor normal) y, en las zonas industriales, hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvo y dióxido de azufre, etc. También las descargas eléctricas modifican la composición de la atmósfera al disociar moléculas de H2O, N2, O2 y CO2 y formarse C2H2, H2O2, O3, NO3H, NH3 y NO 3 NH4. Así, la lluvia abona los suelos con casi 10 kg N/Ha · año en forma de NO3 NH4 y NH4OH. Este grado de abonado nitrogenado es muy bajo; se necesita de cuatro a catorce veces más, dada la intensidad de cultivo actual. Por su distinta solubilidad en agua, el aire disuelto de ésta tiene un 34,5% de O2, un 63,5% de N2 y un 2% de CO2, en volumen [2]. 1
Composición Composición Elementos Volumétrica Másica (Χυ) adim (Χ) adim N2 0,7814 0,7560 O2 0,2092 0,2310 Ar 0,00934 0,0030 Ne 0,000015 0,00001 He 0,000005 0,0000007 Kr 0,000001 0,000003 H2 0,0000005 0,000000035 Xe 0,0000001 0,0000004 TABLA Nº1: Composición del aire puro en base seca, en capas bajas. Porcentaje Pto de (%) ebullición (ºC) N2 78,084 -195,80 O2 20,948 -183,00 Ar 0,934 -185,70 CO2 0,0375 -56,40 Ne 0,001818 -245,92 He 0,000524 -268,60 CH4 0,0002 -161,60 Kr 0,000114 -152,3 H2 0,00005 -252,50 N2O 0,00005 -88,51 Xe 0,0000087 -107,10 TABLA Nº2: Porcentaje de los elementos presente en el aire impuro.
Elementos
APROVECHAMIENTO QUÍMICOINDUSTRIAL DEL AIRE Desde el punto de vista de su aprovechamiento químico no como comburente, caben dos grandes líneas de beneficio del aire: una, separar sus componentes; otra, combinarlos. El primer camino lleva a la fabricación de N2, O2 y gases nobles, por separación física o química;
el segundo, a la síntesis del NO y de aquí al ácido nítrico y/o los nitratos. Otra posibilidad de aprovechamiento químico del aire es su ozonización por descargas eléctricas para emplearlo como bactericida y como atmósfera para conservar frutas [3].
NITRÓGENO Es un gas en condiciones normales. El nitrógeno molecular es el principal constituyente de la atmósfera (78% por volumen de aire seco). Esta concentración es resultado del balance entre la fijación del nitrógeno atmosférico por acción bacteriana, eléctrica (relámpagos) y química (industrial) y su liberación a través de la descomposición de materias orgánicas por bacterias o por combustión. En estado combinado, el nitrógeno se presenta en diversas formas. Es constituyente de todas las proteínas (vegetales y animales), así como también de muchos materiales orgánicos. Su principal fuente mineral es el nitrato de sodio. Las moléculas de Nitrógeno se encuentran principalmente en el aire. En agua y suelos el Nitrógeno puede ser encontrado en forma de nitratos y nitritos. Todas estas substancias son parte del ciclo del Nitrógeno, aunque hay una conexión entre todos. Los humanos han cambiado radicalmente las proporciones naturales de nitratos y nitritos, mayormente debido a la aplicación de estiércoles que contienen nitrato. El Nitrógeno es emitido extensamente por las industrias, incrementando los suministros de nitratos y nitritos en el suelo y agua como consecuencia de reacciones que tienen lugar en el ciclo del Nitrógeno. Las concentraciones de Nitrógeno en agua potable aumentarán grandemente debido a esto.
2
Nitratos y nitritos son conocidos por causar varios efectos sobre la salud. Estos son los efectos más comunes:
Reacciones con la hemoglobina en la sangre, causando una disminución en la capacidad de transporte de oxígeno por la sangre. (nitrito). Disminución del funcionamiento de la glándula tiroidea. (nitrato). Bajo almacenamiento de la vitamina A. (nitrato). Producción de nitrosaminas, las cuales son conocidas como una de la más común causante de cáncer. (nitratos y nitritos) [4].
APLICAIONES DEL NITRÓGENO
También puede utilizarse como una alternativa al dióxido de carbono en la presurización de cerveza. El gas nitrógeno que hace burbujas más pequeñas por lo que la cerveza es más suave. El nitrógeno es un componente de casi todas las drogas farmacológicas. El gas de la risa (óxido nitroso) se puede utilizar como un anestésico [5].
Característica
Valor o Símbolo
Símbolo químico Número atómico Grupo Periodo Aspecto Bloque Densidad Masa atómica Radio medio Radio atómico Radio covalente Radio de van der Waals
N 7 15 2 Incoloro P
El nitrógeno se utiliza para conservar 1.2506 kg/m3 los alimentos envasados al detener la oxi14.0067 u dación de los alimentos que hace que se 65 pm 56 estropeen. 75 pm Las bombillas pueden contener nitrógeno 155 pm como una alternativa más barata al argón. El gas nitrógeno se utiliza a menudo en la Configuración electrónica [He] 2s2 2p3 parte superior de los explosivos líquidos 2, 5 Electrones por capa para evitar que se detonen. +-3, 5, 4, 2, 1 Estados de oxidación El nitrógeno se usa para producir muchas (ácido fuerte) hexagonal Estructura cristalina piezas eléctricas tales como transistores, Estado Gaseoso diodos y circuitos integrados. 63.14 K Punto de fusión Cuando se seca y se presuriza, el gas ni77.35 K Punto de ebullición trógeno se usa como un gas dieléctrico pa0.3604 kJ/mol Calor de fusión ra equipos de alta tensión. 126,19 K Temperatura crítica El gas nitrógeno se utiliza para rellenar los 3.39 MPa Presión crítica neumáticos de los aviones y los automóvi3,04 Electronegatividad les (coches). Sin embargo, los vehículos 1040 J/(K*kg) Calor específico 106S/m Conductividad eléctrica comerciales suelen usar aire normal. Los tanques de nitrógeno están sustituyen0,02598 W/(K*m) Conductividad térmica do gradualmente a los tanques de dióxido Rutherford en Descubridor de carbono como fuente de alimentación 1772 de pistolas de paintball. TABLA Nº 3: Propiedades física y química del nitrógeno. 3
OXÍGENO Es de gran interés por ser el elemento esencial en los procesos de respiración de la mayor parte de las células vivas y en los procesos de combustión. Es el elemento más abundante en la corteza terrestre. Cerca de una quinta parte (en volumen) del aire es oxígeno. El oxígeno se separa del aire por licuefacción y destilación fraccionada.
APLICACIONES DEL OXÍGENO
En condiciones normales el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido; se condensa en un líquido azul claro. El oxígeno es parte de un pequeño grupo de gases ligeramente paramagnéticos, y es el más paramagnético de este grupo. El oxígeno líquido es también ligeramente paramagnético. Casi todos los elementos químicos, menos los gases inertes, forman compuestos con el oxígeno. Respirar un (50-100) % de oxígeno a presión normal durante un periodo prolongado provoca daños en los pulmones. Las personas que en su trabajo sufren exposiciones frecuentes o potencialmente elevadas a oxígeno puro, deben hacerse un chequeo de funcionamiento pulmonar antes y después de desempeñar ese trabajo [4].
FIGURA Nº1: El oxígeno en estado líquido.
Obviamente, el oxígeno es importante para la respiración humana. Por lo tanto, la terapia de oxígeno se utiliza para las personas que tienen dificultad para respirar debido a alguna condición médica (como enfisema o neumonía). El oxígeno gaseoso es venenoso para las bacterias que causan gangrena. Por lo tanto, se utiliza para matarlos. El envenenamiento por monóxido de carbono se trata con gas oxígeno. En los trajes espaciales se utiliza oxígeno de un alto grado de pureza para que los astronautas pueden respirar. Los tanques de buceo también contienen oxígeno, aunque por lo general se mezcla con aire normal. Los aviones y los submarinos también cuentan con bombonas de oxígeno (para emergencias). El oxígeno se utiliza en la producción de polímeros de poliéster y los anticongelantes. Los polímeros se utilizan para hacer plástico y telas. La mayoría de oxígeno producido comercialmente se utiliza para convertir el mineral de hierro en acero. Los científicos usan la proporción de dos isótopos de oxígeno (oxígeno-18 y oxígeno-16) en los esqueletos para investigar el clima de hace miles de años. El oxígeno puro se utiliza para asegurar la combustión completa de los productos químicos. El oxígeno se utiliza para tratar el agua, y también para cortar y soldar metales. También se emplea el oxígeno (líquido) como comburente en los líquidos propulsores de los cohetes espaciales. Embebido el O2 líquido en serrín, negro de humo o cupreno constituye un potente explosivo “físico” llamado “oxiliquita” [5]. 4
Característica Símbolo químico Número atómico Grupo Periodo Aspecto Bloque Densidad Masa atómica Radio medio
Valor o Símbolo O 8 16 2 Incoloro P 1.429 kg/m3 15.9994 u --------
Radio covalente Radio de van der Waals
60 (48) pm (Radio de Bohr) 73 pm 152 pm
Configuración electrónica
1s22s22p4
Electrones por capa
---------
Estados de oxidación
-2, -1 (neutro)
Estructura cristalina Estado Punto de fusión Punto de ebullición Calor de fusión Temperatura crítica Presión crítica Electronegatividad Calor específico Conductividad eléctrica
Cúbica Gaseosa 50.35 K 90.18 K 0.22259 kJ/mol
Radio atómico
La atmósfera de la Tierra es la única fuente de argón; sin embargo, se encuentran trazas de este gas en minerales y meteoritos. El argón constituye el 0.934% del volumen de la atmósfera de la Tierra. De él, el 99.6% es el isótopo de argón-40; el restante es argón-36 y argón38. Existe evidencia de que todo el argón-40 del aire se produjo por la descomposición radiactiva del radioisótopo potasio-40. El argón es incoloro, inodoro e insípido. En condiciones normales es un gas, pero puede licuarse y solidificarse con facilidad. El argón no forma compuestos químicos en el sentido normal de la palabra, aunque forma algunos compuestos clatratos débilmente enlazados con agua, hidroquinona y fenol. Las moléculas de argón gaseoso son monoatómicas. La mayor cantidad de argón se produce en plantas de separación de aire [4].
APLICACIONES DEL ARGÓN
-------------
3,44 920 J/(K*kg)
-------
0,026 74 W/(K*m) Joseph Priestly Descubridor 1774 TABLA Nº 4: Propiedades física y química del oxígeno. Conductividad térmica
ARGÓN El argón es el tercer miembro del grupo 0 en la tabla periódica. Los elementos gaseosos de este grupo se llaman gases nobles, inertes o raros, aunque en realidad el argón no es raro.
El gas argón se utiliza en quemadores eléctricos de grafito para evitar la combustión del grafito. El grafito se quema en si se calienta con aire normal por la presencia de oxígeno. Los cristales de silicio y germanio se obtienen utilizando argón. El argón se utiliza para matar a los cerdos (evitando su sufrimiento) si hay un brote de alguna enfermedad en una granja. De vez en cuando, el argón se utiliza para apagar incendios en los que es vital que el equipo no sufra daños. El argón, en forma líquida, es utilizado por los científicos para buscar la materia oscura. El argón se puede utilizar para preservar la pintura, el barniz y cosas similares cuando se quieren almacenar una vez abiertas. 5
El Archivo Nacional Americano usa el Punto de ebullición 87,3 K Calor de fusión 1,188 kJ/mol argón para almacenar importantes docuTemperatura crítica 150,87 K mentos nacionales (como la Declaración Presión crítica 4,898*106 Pa de Independencia). Esto evita que los doCalor específico 520 J/(K*kg) cumentos sean destruidos por el aire. (300 K) 0,01772 En los laboratorios de ciencias, el argón Conductividad térmica W/(K*m) se utiliza a menudo como un gas portador Sir Ramsay en Descubridor en cromatografía de gases. 1894 Si bien existen algunos riesgos, el argón TABLA Nº 5: Propiedades física y química del licuado puede ser usado para destruir las Argón. células cancerosas en un procedimiento llamado coagulación con argón. DESTILACÓN FRACCIONADA Los láseres azules de argón se utilizan en La destilación fraccionada es un proceso de cirugía para soldar las arterias y corregir destilación de mezclas muy complejas y con problemas oculares. componentes de similar volatilidad, se usa para Las luces de láser azul se hacen con ar- separar componentes líquidos que difieren de a gón. menos de 25°C en su punto de ebullición. ConLas bombillas se llenan con argón para siste en que una parte del destilado vuelve del evitar que el filamento reaccione con el condensador y gotea por una larga columna a aire y se consuma. una serie de placas, y que al mismo tiempo el Los buzos utilizan argón para inflar un vapor que se dirige al condensador hace burbutraje seco [5]. jear al líquido de esas placas. La columna fraccionadora que se usa con más frecuencia es la Valor o llamada torre de burbujeo, en la que las placas Característica Símbolo están dispuestas horizontalmente, separadas Símbolo químico Ar unos centímetros, y los vapores ascendentes Número atómico 18 suben por unas cápsulas de burbujeo a cada Grupo 18 placa, donde burbujean a través del líquido. Periodo 3 Las placas están escalonadas de forma que el Aspecto Incoloro líquido fluye de izquierda a derecha en una Bloque P placa, luego cae a la placa de abajo y allí fluye Densidad 1.784 kg/m3 Masa atómica 39.948 u de derecha a izquierda. La interacción entre el Radio atómico 71 líquido y el vapor puede ser incompleta debido Radio covalente 97 pm a que puede producirse espuma y arrastre de Radio de van der Waals 188 pm forma que parte del líquido sea transportado Configuración electrónica [Ne]3s23p6 por el vapor a la placa superior. La única desElectrones por capa 2, 8, 8 ventaja de la destilación fraccionada es que cúbica centrada una gran parte, aproximadamente el 50%, del Estructura cristalina en las caras destilado condensado debe volver a la parte Estado Gaseoso superior de la torre y eventualmente debe herPunto de fusión 83,8 K
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virse otra vez, con lo cual hay que suministrar más energía en forma de calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, porque el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar la mezcla que entra [6].
VARIABLES QUE PUEDEN AFECTA LA OPERACIÓN DE LA COLUMNA 1.
2.
Presión de la columna:
La presión afecta el grado de separación de la mezcla, porque cambia la volatilidad relativa. A mayor presión menor volatilidad relativa, y por tanto, más difícil la separación, se debe operar a la menor presión posible, para aumentar volatilidad y gastar menos energía en la separación. La mejor presión de la columna es generalmente la presión más baja, que permite que la corriente del reflujo permanezca en estado líquido. La razón de esto es que mientras la presión sea más baja la volatilidad relativa aumenta, en otras palabras, esto3. significa que el cambio en la composición del vapor y el líquido después de mezclados en cada bandeja es mayor a baja presiones. Por lo tanto, un incremento de la presión requiere un incremento en la relación del reflujo para mantener el mismo grado de se paración, o pureza de los productos.
cional aumenta el reflujo interno. Por lo tanto, para una operación más eficiente, la rata de flujo debe ser tal que la cantidad total de vapores generados no cause inundación en la torre, reduciendo de esta forma la pureza de los productos. La temperatura del reflujo es muy importante considerar. Cuando la corriente enfriada de reflujo es bombeada de nuevo a una torre, esta reduce la temperatura de la bandeja de tope y los vapores existentes son condensados hasta que el reflujo alcanza la temperatura de equilibrio. De esta manera la cantidad de reflujo que fluye a la bandeja siguiente es la suma del reflujo bombeado a la columna más el líquido formado de los vapores de condensado. Cualquier variación de la temperatura del reflujo afectara por consiguiente la cantidad del reflujo interno, la cantidad de vapores que fluyen en la torre y la carga térmica de la columna. Ubicación del plato de alimentación :
Cuando se trabaja con un porcentaje pequeño del com ponente liviano en la alimentación, que, a su vez, debe producirse por el tope con gran pureza, se suele bajar el plato de alimentación para aumentar la zona de rectificación por eso se dejan previstas varias alternativas probables para meter la alimentación en la torre. La localización de la entrada de la corriente de alimen El reflujo: La cantidad del reflujo afecta la tación está determinada por su composición. calidad del producto y la capacidad de la Para una corriente de alimentación con un alto columna, ya que aumenta el grado de sepa- porcentaje del producto de tope la entrada deración y la carga calórica de la misma, lo bería estar relativamente alta a la torre. Por el cual afecta la eficiencia del plato. La tempe- contrario, para una corriente con un bajo porratura del reflujo afecta el reflujo interno. centaje del componente volátil, la entrada deUn reflujo subenfriado requiere mayor can- bería ubicarse relativamente baja en la misma. tidad de energía para vaporizar, sin embar- La alimentación debe ser introducida a la cogo, en casos donde se tengan limitaciones lumna a la temperatura de ebullición corresde bombeo de reflujo, el enfriamiento adi- pondiente a su composición y presión de ope7
ración de la columna. Si la temperatura de PROBLEMAS DE OPERACIÓN EN EL alimentación de demasiado baja, habrá un PROCESO DE FRACCIONAMIENTO. efecto de enfriamiento que causará que una cantidad excesiva de vapores condensen cau- 1. Inundación: Es un problema común de operación, normalmente las compañías sando inundación en la sección inferior de la desean obtener una capacidad máxima del torre, debajo del punto de entrada. Si la aliequipo de fraccionamiento y por lo tanto mentación es introducida demasiado caliente, operan de manera rutinaria cerca de las habrá un exceso de vapores en la sección de condiciones de inundación plena, este alimentación, los cuales deben ser condensa problema es reflejado en un aumento en la dos antes que alcance el tope de la columna, caída de presión y en una disminución de la ya que podría causar inundación en la sección temperatura a través de la sección afectada, superior de la torre, por encima de la entrada también se perjudica la calidad del producto. de la alimentación. Así mismo en una columna inundada la presión con frecuencia tendera a fluctuar, 4. Temperatura de la carga: Normalmente es esto puede ayudar a diferenciar entre la económico que la alimentación entre a su puninundación y un nivel alto en el fondo de la to de burbuja, por cuanto el rehervidor requiecolumna, si la lectura en el indicador de re menos carga calorífica; sin embargo, debe nivel del fondo es sospechosa, el nivel alto evaluarse económicamente el efecto de llevaren el fondo producirá una caída de presión las a su punto de burbujeo o agregar más calor mayor que la normal, pero a menudo no la en el rehervidor, cuando la carga entra subenmagnitud da las fluctuaciones en la presión friada. Por limitaciones en la capacidad de la asociadas con la inundación. columna y del condensador, conviene introducir la carga por debajo de su punto de burbu jeo, ya que se genera menos vapor en la zona 2. Platos secos: Este problema como la inundación también perjudica la calidad del de rectificación [7]. producto, en la sección seca no se tiene fraccionamiento de modo que disminuye la diferencia de temperatura, sin embargo a diferencia de la inundación la caída de presión disminuye y permanece muy estable en el valor mínimo final, este problema suele ser más fácil de manejar que la inundación, el mismo es causado por liquido insuficiente que entra a la sección o bien por demasiado líquido que se va por excesiva ebullición, el problema se resuelve al invertir la acción que causó los platos secos. Ya que los cambios suelen ocurrir cerca de la fuente del problema, esa fuente suele encontrarse con FIGURA Nº2: Desplazamiento del líquido y rapidez usando la instrumentación del gas en una torre de fraccionamiento. 8
apropiada, poco reflujo o demasiada extracción en corrientes laterales son dos ejemplos de causa de líquido insuficiente que entra a una determinada sección, por otra parte, una alimentación demasiado caliente o demasiada reebulicion son ejemplos de salida excesiva de líquido por ebullición. 3. Platos dañados (efectos):
Los platos se pueden dañar da varias maneras, una de ellas es la pulsación en la presión, por ejemplo: una masa de agua que entre a una fraccionadora de hidrocarburos pesados producirá copiosas cantidades de vapor, si se deja que el nivel del líquido del fondo llegue a la línea de salida del rehervidor la acción de oleaje puede dañar algunos platos del fondo. Sin embargo, cualquiera que sea la causa del daño de los platos a menudo es difícil probar que existe ese daño sin previa inspección de la columna, en especial si el daño es ligero. Además de obtener un proceso de fraccionamiento de baja eficiencia también se puede producir un aumento en la diferencia de presión ya que a menudo el daño se produce en los conductos descendentes o en otras partes que manejan líquido, también pudiera ocurrir una disminución en la presión.
4. nivel de residuos:
Los platos son en particular vulnerables a los daños en las operaciones de paro y arranque, en primer lugar es importante evitar un nivel elevado de líquido de los residuos, el diseño de la torre debe proporcionar un espaciamiento suficiente arriba y debajo de la línea de vapor de retorno del rehervidor, una distancia igual a por lo menos un
espaciamiento entre platos, por encima de la línea hasta el plato de fondo o lo que es mejor el espaciamiento entre platos más otro espacio considerablemente prudente son absolutamente necesarias, es probable que se tengan más problemas en esta área de la columna que en cualquier otra sin embargo a pesar de un buen diseño de columna se debe observar de cerca el nivel de líquido de residuos en esta sección. Cuando una torre se inunda en la sección del fondo, un error común en el operario es intentar un bombeo con demasiada rapidez para bajar el nivel, esto puede dañar con facilidad los platos al imponer una presión diferencial que actúa producida por un peso grande de líquido la parte superior del plato y un espacio de vapor inmediatamente de este, para eliminar la inundación es mejor disminuir el flujo de alimentación y calentar un poco más el rehervidor, evitando cambios repentinos [7].
SEPARACIÓN FÍSICA DE LOS COMPONENTES PRESENTE DEL AIRE. El aire no sólo se utiliza como comburente, sino que sus componentes se aprovechan tanto para separarlos como para combinarlos. La separación lleva a la obtención de O2, N2 y gases nobles [3]. El nitrógeno se necesita, por lo general, de gran pureza, superior al 99,8%. Se utiliza principalmente para fabricar NH3 y cianamida cálcica (fijación del nitrógeno), para preparar cianuro sódico, como agente frigorífico, para separar el H2 del gas de coquería y como gas inerte. La principal aplicación química es la síntesis de NH3. El oxígeno de alta pureza (más del 99,5%) tiene aplicación para alimentar los sopletes de soldadura y corte de 9
metales, que es la más clásica e importante en volumen de consumo. Más modernamente se han extendido las aplicaciones del O2 al campo de la combustión y de las reacciones de oxigenación en general, con la ventaja, respecto al aire, de que la presión parcial del oxígeno es mayor y que los productos de la reacción o combustión no van diluidos por el N2 del aire. Los gases nobles se usan para llenar lámparas, tubos luminosos y otros aparatos electrónicos. El argón sirve para crear una atmósfera inerte protectora de los metales ligeros durante su soldadura (el N2 daría nitruros y fragilizaría al metal). El helio es útil en aerostación, pues da a los globos un poder ascensional algo inferior al hidrógeno y, en cambio, elimina los riesgos de inflamación. Los gases nobles nunca son el producto principal. La producción principal es siempre la del O2, la del N2 o la de ambos, y los gases nobles se recuperan como producto secundario. El procedimiento físico de separación más común es la destilación. Se han ensayado tanto la difusión diferencial a través de membranas de caucho, como la ultracentrifugación, pero los rendimientos de estos procesos son tan bajos que resultan antieconómicos. El proceso de separación por destilación implica la etapa previa de su licuación [8].
isotérmico en el que las moléculas de O2 y de N2 fueran separadas y comprimidas desde su presión parcial en la mezcla hasta 1 atm. La extracción y compresión a 1 atm de las 0,2 moles/kg de O2 contenidos en 1 Kgmol/kg de aire consumiría la energía:
W =Ln0,12∗0,2∗R∗T = 174 kcal Para el N2 que acompaña al O2 en 1 Kgmol/kg de aire se gastaría:
W =Ln0,18∗0,8∗R∗T =99,5 kcal Por tanto, 1 Kgmol de O2 exigiría la energía:
W = 100 20 ∗[W 4W] W =RT∗Ln0,124RT∗Ln0,18 = 1367 kcal y 1 Nm3 O2:
= 22,4=61
Donde: R: Constante de los gases ideales (1,98821 kcal/K*Kgmol). T: Temperatura del gas (273 K)
ETAPAS PARA LA SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTE PRESENTE EN EL VALORES TEÓRICOS PARA LA AIRE. SEPARACIÓN FÍSICA DEL OXÍGENO Y En todo caso, cualquiera que sea el grado de EL NITRÓGENO separación que se pretenda de los componentes En teoría, no se necesitan grandes dispendios del aire por destilación, se necesita la previa energéticos para separar físicamente los gases licuación parcial del mismo, y esto implica un del aire. Basta con unas 61 kcal, que cierto grado de enfriamiento. Este enfriamiento equivalen a unos 0,07 KW/h, para extraer 1 presupone, a su vez, como se verá, una Nm3 de O2, supuesto un proceso reversible e 10
compresión y un aprovechamiento de frío a través de un cambio de calor. Las etapas, pues, de la separación son: compresión, cambio de calor, expansión (producción de frío) y rectificación [3].
DIAGRAMA ENTRÓPICO DEL AIRE La entropía es una propiedad termodinámica de un sistema cuya variación viene dada por el cociente entre el calor que ese sistema intercambia en una transformación reversible y la temperatura absoluta a la cual ese intercambio ocurre. Para una transformación reversible infinitesimal, en la que el sistema intercambia una cantidad de calor (δQ) a la temperatura T, la variación, dS, de entropía se expresa:
=
(I)
De acuerdo con el Primer Principio de la Termodinámica:
=
(V)
Las variaciones de la entropía con la temperatura, para diversas transformaciones, se suelen representar en los “diagramas entrópicos”. Estos son representaciones en coordenadas cartesianas ortogonales en las que el eje de ordenadas corresponde a las temperaturas y el eje de abscisas a las entropías. Supongamos que la masa gaseosa se encuentra en el estado A, a una temperatura T1 y a una presión p1 y que mediante una compresión isotérmica se lo lleva al estado B, en que la presión es p2. Una expansión isoentálpica lo llevará al estado C en el que la presión es nuevamente p1, pero la temperatura es T2< T1. Si a partir del estado B se lo expande adiabáticamente en forma reversible, al no haber intercambio de calor, no habría variación de entropía y el sistema evolucionaría hasta el estado D [8].
= (II) Si el único trabajo que intercambia el sistema se debe a la variación de su volumen dV por efecto de una presión p, δW = pdV; entonces:
= (III) Como la definición de entalpía es H = U + pV, para una variación infinitesimal de la entalpía:
= (IV) Utilizando las ecuaciones (IV), (III), y (II) para ser sustituida en la ecuación (I) y se obtendrá:
FIGURA Nº3: Esquema entrópico del aire.
del
diagrama
11
Debemos hacer notar que, en la práctica, es punto de estas líneas dentro de la zona de imposible efectuar la expansión de manera saturación representa una mezcla líquida – reversible ya que implicaría realizarla a una vapor, cuya proporción relativa la establece la velocidad muy lenta para que, en cada uno de regla de la palanca. Las líneas de trazos que los estados intermedios, la presión difiera del cortan a las isobaras representan a las valor de equilibrio en un infinitésimo. La isentálpicas (h). expansión real se aparta del comportamiento teórico y el sistema evoluciona hacia un cierto Una vez ya definido la entropía y el diagrama; se puede dar de forma detallada la etapa de estado representado por el punto D’ [8]. enfriamiento del aire con la finalidad de llevarlo a su estado líquido [8].
PRODUCCIÓN LÍQUIDO).
DE
FRÍO
(AIRE
Para obtener aire líquido se debe seguir dos sub-etapas, las cuales son: • Comprimir el aire:
FIGURA Nº4: Diagrama entrópico del aire según HAUSER. La curva en forma de campana es la de saturación y su punto más alto es el punto crítico. En la zona por debajo de la curva, coexisten las fases líquidas y vapor. La zona fuera de la curva corresponde al estado gaseoso. Las curvas descendentes desde la parte superior derecha representan las isobaras (p). Las isobaras menores que la crítica atraviesan de lado a lado la zona de líquido – vapor en un trazado casi horizontal; cualquier
El necesario el enfriamiento del aire para situar el punto “A” (ver figura nº3) por debajo de la curva en forma de campana, no puede obtenerse prácticamente por enfriamiento directo con un fluido con la suficiente temperatura baja, porque no existe tal fluido, ya que se usa el aire líquido para licuar el He o el H2, y no al revés (“licuación en cascada”). El enfriamiento del aire es posible en la práctica por otra vía. Si se le comprime isotérmicamente, se alcanza el punto “B” (ver figura nº3). Este trabajo de compresión es, como se verá, la única forma en que se aporta la energía exigida por el enfriamiento del aire. Fundamento • comprimir el aire:
teórico
para
La compresión del aire requiere cierto trabajo. La Termodinámica suministra un método para calcular el trabajo consumido en la compresión reversible de un gas ideal. En 12
efecto, por definición, un gas es ideal si su energía interna es sólo función de la temperatura e independiente de la presión o el volumen. Por consiguiente, en una transformación isotérmica de una masa gaseosa ideal no hay variación de energía interna, de modo que el trabajo y el calor intercambiados son equivalentes. Llamando δW al trabajo involucrado en una transformación infinitesimal en el que debido a una presión exterior pe se produce una variación de volumen dV:
δW=pE ∗dV (I) δW=p∗dV (II) Como el gas se comporta idealmente, entonces:
(III)
Sustituyendo la ecuación (III) en (II), nos queda de la siguiente manera:
=∗∗∗ (IV) Aplicando el método de considerando un estado 1 hasta del gas, tomando en cuenta isotérmico y las variables R, constante, se obtiene:
Aplicando la Ley de Boyle-Mariotte, nos queda:
W=n∗R∗T∗ln (VII) Representa el trabajo mínimo requerido para una compresión isotérmica reversible de ese tipo de gas [3]. •
Si la transformación es reversible, la presión exterior pe se puede reemplazar por la presión p del sistema, entonces:
P = ∗∗
W=n∗R∗T∗ln (VI)
integración; un estado 2 el sistema T y n son
∫δW=n∗R∗T∗ ∫ (V) Resolviendo la ecuación, y reajustando se tiene:
Expansión del aire:
Alcanzando el punto “B”, a igual temperatura que “A”, el frío se produce al dejar expansionar el aire, y esto puede llevarse a cabo de dos maneras, ambas utilizadas industrialmente: 1.
Expansión isoentálpica:
Es la que se produce al dejar expandir el gas a través de una estrangulación, de una llave poco abierta, por ejemplo, sin producir trabajo exterior. El enfriamiento se produce a costa de la energía interna de las moléculas gaseosas, de acuerdo con el Primer Principio de la Termodinámica. El punto B se desplaza a lo largo de BC (isoentálpica) hasta alcanzar el punto C, presión ordinaria, p1. El enfriamiento de la masa de aire, (ΔT) H = (T1 –T2), vendría dado por la diferencia de ordenadas de los puntos A y C. Prácticamente, al no ser el rendimiento del 100% por inevitables rozamientos, el punto final caerá un poco más alto que C. Este efecto de refrigeración recibe en Termodinámica el nombre de JouleThomson. Industrialmente fue utilizado por 13
primera vez por LINDE (1895), para licuar el aire.
FIGURA Nº5: Ciclo isoentálpico para licuar el aire.
G. C LAUDE (1902). FIGURA Nº6: Ciclo isoentrópico para licuar el aire.
Si el aire comprimido (B) se deja expandir en el interior de un sistema émbolo-cilindro, con En la práctica, el frío necesario no se consigue producción de trabajo externo, el de una sola vez, sino repitiendo la compresiónenfriamiento sigue teóricamente la línea BD expansión y aprovechando el frío de los hasta llegar también a la presión final p1 = 1 productos resultantes aire no licuado, en atm. Obsérvese que el grado de equilibrio de vaporización con la fracción enfriamiento, (ΔT) S = (T1 –T3), es mucho licuada, o gases producidos por la destilación mayor que (ΔT) H, y que, además, al poderse para enfriar previamente el aire comprimido recuperar en parte el trabajo de expansión, se antes de su expansión. Se obtienen así los reduce el gasto de compresión previa desde llamados “ciclos” de Linde (isoentálpico) y de A hasta B. En realidad, el punto final no Claude (isentrópico). El ciclo Linde puede sería D, sino D’, porque la expansión resulta realizarse con dos importantes mejoras, como
2.
Expansión isentrópica:
pseudoisentrópica. Este efecto refrigerante lo utilizó por primera vez con fines industriales
14
son la prerrefrigeración y el doble ciclo de expansión. Para nuestro caso se explicará la primera mejora, ya que es la que se utiliza, en el proceso de la empresa [3].
FUNDAMENTO TEORICO DEL ENFRIAMIENTO. Como para cualquier transformación infinitesimal de una masa gaseosa ideal:
dU=Cv ∗dT Donde Cv es la capacidad calorífica a volumen constante de esa masa. Resulta que para la expansión adiabática (Q = 0):
∆U=−W=−p ∗V −p ∗V Ajustando la ecuación (I) y sustituyendo en la (II), se obtiene que:
económicas porque exigen presiones mucho más bajas que las obtenidas del aire por vía isoentálpica, con lo que se explica el interés de este enfriamiento complementario. El rendimiento de la licuación se eleva así un 40% aproximadamente. De otro modo: un balance entálpico de la zona del cambiador y colector del aire líquido llamando (x) al coeficiente de licuefacción (tanto por uno del aire que se licúa) y h a las entalpías de los productos (kcal/kg), conduce a:
ℎ =∗ℎ 1 ∗ℎ
(I)
Despejando nos queda:
= ++
(II)
lo que indica que para iguales valores de h1 (temperatura de expulsión del aire no licuado) y h4 (temperatura de expulsión del aire licuado) el rendimiento de licuación, x, es La prerrefrigeración; tiene por objeto enfriar tanto mayor cuanto más se disminuye h2, que el aire comprimido antes de su expansión es la entalpía del aire comprimido, tanto menor isoentálpica, para aprovechar el hecho de que cuanto menor sea su temperatura. Si, por las líneas isentálpicas, a temperaturas de unos pérdidas del aislamiento, el sistema hubiera –40 °C son más pendientes que las ganado del exterior “q” kcal/kg aire, este “q” correspondientes a las temperaturas ordinarias. figuraría con signo negativo en el numerador El enfriamiento que ahora se cita es de la última expresión [3]. complementario del que se obtiene con los gases fríos del propio ciclo, y se efectúa EL INTERCAMBIO DE CALOR sencilla y económicamente haciendo que el Las primeras plantas de licuación del aire aire comprimido circule por un serpentín empleaban intercambiadores de calor del tipo bañado por amoníaco licuado por compresión, carcasa- tubo para enfriar el aire comprimido con lo que se alcanzan fácilmente los –40 °C: utilizando los gases que salen del expansor. el aire hace hervir al NH3 cediéndole el calor Estos dispositivos presentaban una importante latente necesario, con lo que aquél se enfría. limitación. Los tubos por los que circulaba el Dadas las constantes críticas y el calor latente aire comprimido debían ser de cobre, (metal del NH3, las frigorías así producidas son más
∗ − = ∗− ∗
15
buen conductor, pero caro) y de poca sección, para aumentar la superficie de contacto. Además, el aire debía depurarse del vapor de agua y del dióxido de carbono, pues al condensarse en los tubos empeoraba la transmisión y disminuía la sección útil, llegando incluso a taponarlos.
expansión o los gases de la destilación entrando por B’ atraviesan la válvula 8 mientras las válvulas 3 y 4 están cerradas. En su paso hacia la válvula 7 enfrían el relleno del depósito II. De esta manera, cuando se agota el frío en el depósito (I) y en su interior se alcanza la temperatura ambiente y se acumula suficiente frío en el depósito (II), se invierten las corrientes. Esta inversión se efectúa automáticamente. El método Frankl permite: Una disminución del costo de la instalación. 2. Un mayor intercambio de calor y una elevada superficie de contacto respecto del volumen (alrededor de 1000 m2 por cada m3 de volumen). 3. Una pérdida de carga mucho menor que en los intercambiadores tubulares. 4. Que sea innecesario purificar el aire, porque el agua y el dióxido de carbono se condensan sobre el relleno frío sin crear dificultades y luego son expulsados del sistema al evaporarse en el seno de los gases durante el ciclo de calefacción. 5. Una mayor efectividad en el intercambio de calor, ya permite diferencias de temperatura entre los fluidos, en el extremo caliente del cambiador, de (1-2) °C, frente a los (5-8) °C en los tubulares [3]. 1.
FIGURA Nº7: Esquema de los regeneradores de Frankl.
En 1932, Frankl aportó una notable mejora al proceso de licuación del aire sustituyendo el recuperador de calor por un par de regeneradores, que son depósitos cilíndricos, exteriormente aislados, en cuyos interiores hay cintas de aluminio onduladas enrolladas formando discos del diámetro interior de cada depósito, superpuestas de tal manera que llenan por completo cada cilindro. El aire comprimido, y a la temperatura ambiental, proveniente del compresor ingresa en A y es DOBLE COLUMNA DE LINDE derivado hacia la válvula 1 mientras las válvulas 5 y 6 permanecen cerradas. Atraviesa Si se desea obtener nitrógeno de 99% se debe el relleno del depósito (I) (que se encuentra a modificar el diseño de la columna para que se temperatura baja) y sale enfriado a través de la produzca un reflujo en la parte superior que válvula 2 hacia B, dejando el relleno del permita rectificar el N2. Para ello se puede depósito (I) a temperatura ambiente. trabajar con una doble columna Linde. Simultáneamente, el aire enfriado por la 16
En la “doble columna Linde”, la columna por un serpentín sumergido en el líquido del inferior trabaja a 5 bar y la superior a (1 bar). calderín (líquido que contiene alrededor del Es, precisamente, esa diferencia de presiones 40% de O2). la que permite disponer del reflujo, debido al descenso que experimentan las temperaturas En el intercambio de calor con el líquido del de ebullición al disminuir la presión. calderín, el aire que circula por el serpentín se Alcanzado el régimen estacionario, la doble enfría aún más al suministrar el calor latente para que el líquido hierva a unos 105 K. Una columna trabaja de la siguiente manera: vez refrigerado, el aire que sale de la columna inferior se expansiona isoentálpicamente mediante la válvula V1 hasta una presión de unos (5 bar). Al atravesar esta válvula no sólo se enfría por efecto Joule – Thomson, sino que una parte se licua. Esa mezcla líquido vapor reingresa a la columna inferior, ahora a una temperatura de (100 – 105) K, donde se rectifica bajo la presión de 5 bar [8]. El número de platos de la sección inferior es el suficiente para que llegue al calderín un líquido con un 40% de O2, mientras que en la parte superior de la columna inferior se acumula un líquido de muy elevado porcentaje de N2. El líquido en la base de la columna inferior, que se encuentra a (5 bar) se expansiona a 1 bar a través de la válvula V2, y la mezcla líquido-vapor se hace ingresar a la columna superior como alimentación. En la sección superior de la columna inferior se produce la rectificación de los vapores que por ella ascienden y, si N2 esa columna tiene el FIGURA Nº8: Doble columna de Linde, para suficiente número de platos, se puede lograr la obtención de N2 y el O2. que a su cúspide llegue un vapor que puede ser N2 prácticamente puro. Este vapor saturado (a El aire enfriado en el intercambiador de calor 5 bar) se encuentra a 94 K y condensa al por el N2 y el O2 resultantes del proceso cederle calor al O2 en ebullición (a 1 bar) que (puede ser enfriado también por NH3 en se encuentra a 90 K en el calderín de la ebullición) alcanza temperaturas de alrededor columna superior. Una parte del N2 de 150 K, ingresa a la parte baja de la columna condensado refluye en la propia columna inferior que se encuentra a unos (5 bar) y pasa inferior, y el resto se envía hacia la cúspide de 17
la columna superior a través de la válvula de columna auxiliar cuyas colas vuelven a la expansión V3. Al atravesar esta válvula, se columna principal. El argón es el producto de enfría hasta su temperatura de saturación, 78 cabeza, es un esquema del método ruso. El K, e ingresa a la columna superior donde actúa método americano es muy parecido; utiliza el como reflujo. En la columna superior se N2 producto de la doble columna para enfriar, produce la rectificación final. Allí el vapor se antes de expansionarlo, al líquido que actúa de va enriqueciendo en N2 a medida que asciende condensador de reflujo en la columna auxiliar. hacia los platos superiores mientras que en el El argón obtenido es del 80 %; el 20% de calderín se recoge oxígeno prácticamente oxígeno que le acompaña, se separa por puro, el que hierve a expensas del calor que le medios químicos (formación de óxidos cede al líquido enriquecido en N2 de la metálicos, combinación con H2, etc.) [3]. columna inferior, como ya hemos mencionado. El sistema de doble columna es también efectivo si en la columna inferior se trabaja a presión ambiental y en la columna superior se rectifica al vacío, aunque el costo en energía es algo mayor que el comentado precedentemente [8].
LOS GASES NOBLES E HIDROCARBUROS CONTENIDOS EN EL AIRE. La presencia en el aire de gases nobles y otros productos distintos del H2O y CO2 citados, como los hidrocarburos, obliga a veces a ciertas variantes de operación en las instalaciones. El 1% de argón que tiene el aire puede salir de la columna de rectificación junto con el O2 o con el N2, pero a costa de la pureza del que lo lleva. Si es con el N2, éste no podrá ser de más del 98,7% de riqueza; si es con el O2, no será de más del 95%. Al proyectar las columnas hay que tenerlo en cuenta; el proyectista ha de basarse entonces en el sistema ternario N2-O2-Ar y no en el binario N2-O2. Cuando se quiere obtener argón como subproducto, la columna superior (Linde) se sangra a la altura del plato donde es máxima su concentración (un 10 %) y este vapor se rectifica separadamente en una
FIGURA Nº9: Obtención del argón. La presencia de hidrocarburos en el aire (por ejemplo, C2H2 en las fábricas de cianamida cálcica en las que es materia prima el C2Ca) hace que se vayan acumulando en el calderín del O2 estos productos, con peligro de explosión. Para evitarlo, al O2 se le hace pasar líquido, por un condensador auxiliar donde se evapora y deja como residuo C2H2 que se descarga por purga. El vapor de O2 va luego a los cambiadores de salida. También se separan los hidrocarburos adsorbiéndolos de la corriente líquida que va del calderín inferior a 18
alimentar la columna superior (Linde) en una pequeña columna de carbón activo intercalada. Igualmente, la rectificación separada del O2 del calderín de la columna superior (Linde) permite obtener Kr y Xe ambos menos volátiles que el O2. El He y el Ne son más volátiles que el N2, por eso se pueden separar por rectificación independiente del nitrógeno líquido recogido en la parte superior de la columna inferior. Esta rectificación produce He + Ne con mucho N2, y se elimina éste pasando los gases por Ca o Mg al rojo (nitruros). De la mezcla He + Ne se separan los componentes por adsorción selectiva con carbón activo [3].
MÉTODO DE McCABE THIELE PARA UN DESTILACIÓN FRACCIONADA BINARIA. Es un método grafico basado en el método de Lewis mediante el cual Lewis, se puede determinar el número de platos o etapas teóricas necesarias para la separación de una mezcla binaria, usa balances de materia con respecto a ciertas partes de la torre para obtener las líneas operación y la curva de equilibrio y-x para el sistema. Es adecuado en aquellos casos donde los componentes de la mezcla binaria a separar son de tal naturaleza que sus mezclas tienen un comportamiento cercano a la idealidad. Se debe manejar este método bajo condiciones supuestas; las cuales son: Caudales molares de vapor y liquido constantes en cada sector. Calor de mezcla es despreciable. La columna es perfectamente adiabática.
Igualdad de los calores latentes molares de los componentes de la mezcla. Calor latente molar de vaporización de la mezcla independiente de la composición. Variación de las entalpías específicas de ambas fases despreciables, frente al calor latente de vaporización.
LIMITACIONES DEL MÉTODO Solo es aplicable a mezclas binarias. Cuando se necesita más de 25 etapas teóricas. No da información directa de los requerimientos energéticos. No es recomendable cuando hay diferencias de temperaturas importante entre palto y plato. Cuando las relaciones de reflujos son menores a 1,1R min
REQUERIMIENTO NECESARIO PARA APLICAR EL MÉTODO
Fase de la alimentación. Naturaleza del condensador (Total o Parcial). Relación de reflujo mínimo. Presión de la columna (se considera constante). La composición del destilado y del fondo o especificaciones del producto deseado. ¿QUE SE PUEDE DETERMINAR CON ESTE MÉTODO?
Número de etapas de equilibrio. Reflujo mínimo R min Número de etapas necesarias. Plato óptimo de alimentación. 19
BALACES EXTERNO DE LA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO.
XB: Composición del componente residual (Adim). HF: Entalpía de la alimentación (BTU/h). HB: Entalpía del componente residual (BTU/h). HD: Entalpía del destilado (BTU/h).
CONSTRUCCIÓN DE LAS ZONAS QUE CONFORMA UNA COLUMNA DE FRACCIONAMIENTO Los componentes más ligeros (de punto de ebullición más bajo) tienden a concentrarse en la fase de vapor, mientras que los componentes más pesados (punto de ebullición más alto) tiende a la fase líquida, el resultado es obtener una fase de vapor rica en el componente más ligero “o más volátil), al ir ascendiendo por la columna, lo cual a esta parte de la torre se llama zona de rectificación o de enriquecimiento. También su nombre se debe a la integración de un condensador total o parcial para destilar el vapor rico del compuesto mas volátil.
a) Zona
FIGURA Nº10: Balance externo de una columna de fraccionamiento. 1. Balance de masa global
F=DB F∗x =D∗x B∗x Balance de energía F∗H Q =D∗H BH Q 2. Balance de masa por componente
3.
Donde: F: Alimentación a la columna (mol/h). D: Destilado (mol/h). B: Componente residual (mol/h) XF: Composición de la alimentación (adim). XD: Composición del destilado (Adim).
de
rectificación:
b) Zona despojadora: Es aquí donde en
componentes más pesado tiende a concentrase, es decir; el líquido a medida que desciende por la columna se vuelve más rico del componente menos volátil, debido a la baja concentración del componente más volátil, recibe el nombre zona despojadora o de agotamiento, también recibe el nombre debido a la integración de un rehervidor parcial c) Zona de alimentación: Está zona lleva
este nombre debido a que, es aquí donde 20
se introduce el material a destilar a lo largo de la columna.
FIGURA Nº11: Balance de masa para obtener la línea de operación en zona de rectificación. Balance de masa global:
V = L+ D Balance por componente:
consiste como el reflujo que es redirigido a la columna y el producto destilado; esto se logra haciendo un balance de masa en el condensador utilizado en la columna.
FIGURA Nº12: Balance de masa en el condensador. Relación de reflujo:
R = DL Balance de masa en el condensador:
V ∗y = L+ ∗x+ D∗x
V=LD
Acomodando la ecuación anterior, se obtiene:
Se utiliza la ecuación (III), con la finalidad de dividir toda la ecuación “D”, para obtener:
y = LV+ ∗x+ VD ∗x La ultima ecuación representa la zona de rectificación de una columna de fraccionamiento. También se puede representar la ecuación de la zona de rectificación con la relación de reflujo, el cual
L+ D y = V ∗x+ V ∗x Como el método de McCabe Thile nos dice que los flujos tanto líquido y vapor se mantiene
21
constante en la trayectoria de la columna, es decir: L1=L2….= Ln+1 V1=V2….= Vn+1 Y ajustado la ecuación (VI), y sustituyendo las ecuaciones (V) y (IV), se puede obtener la ecuación de la zona de rectificación en función del reflujo:
∗x 1 ∗x y = R1 R1 Observando las ecuaciones (VII) y (III), tiene forma de ecuación de una recta, donde su:
Pendiente:
L= R V R1
FIGURA Nº13: Forma de la curva de equilibrio y de la línea de rectificación. Ahora se sigue para la zona de agotamiento:
Intercepto:
x = x ∗D R1 V Los pasos a seguir para construir la curva son:
Se traza el diagrama de equilibrio y-x y la línea y=x. Se ubican en el diagrama las Composiciones, las corrientes de alimentación (XF), tope (XD) y fondo (XB). Se determina la pendiente y/o el punto de corte de la línea de operación de la zona de rectificación. A partir de XD se traza una línea con pendiente (L/V) o R/(R+1) o se utiliza el punto de corte XD/(R+1).
FIGURA Nº14: agotamiento.
Balance
en
zona
de
22
Balance de masa global:
L = V+ B Balance por componente:
Ahora bien, se procede a la zona de alimentación; En el plato donde se introduce la alimentación puede variar la velocidad del líquido o la del vapor, o la de ambos, dependiendo de la condición térmica de la alimentación.
L ∗X = V+ ∗y+ B∗x Acomodando la ecuación anterior, se obtiene:
y = VL+ ∗x V+B ∗x
Los pasos a seguir para construir la curva son: Se traza el diagrama de equilibrio y-x y la línea y=x. Se ubican en el diagrama de equilibrio las composiciones de las corrientes de entrada y salida de la columna, XF y XB. A partir de (XB; YB) se traza una línea con pendiente L’/V’ o se ubica en el eje y el punto de corte B*XB/V’ y se traza la línea que pase por (XB; YB) y se prolonga hasta la curva de equilibrio. Luego se trazan las etapas teóricas dela zona de agotamiento.
FIGURA Nº15: Trazado de la línea de la zona de agotamiento.
FIGURA N°16: Posibles casos de las fases que se puede encontrar la alimentación a la columna.
Se procede al balance de masa y energía en la alimentación de la columna:
FIGURA N° 17: Esquema de la alimentación en la columna de fraccionamiento. 23
Balance de masa global :
FV´ L=VL´ Ajustando la ecuación se obtiene:
L´ LF=V´ V
Balance de energía:
F∗H V´ ∗H´ L∗H =V∗H L´ ∗H´ Debido que el método de McCbabe Thiele supone que las entalpías no varían significativamente a lo largo de la torre se puede decir:
´´ = =
rizar un mol de alimentación a las condiciones de entrada, y el calor latente de vaporización de la alimentación o los moles de líquido que fluyen en la sección de agotamiento como consecuencia de la introducción de cada mol de alimentación. Por tanto, q tiene los siguientes límites numéricos para las distintas condiciones: Condiciones térmicas
q
Pendiente
Líq-subenf Líq-saturado Líq-vapor
>1 =1 (0-1)
m>0
m= ∞
Vapor saturado
0
m=0
Vapor sobrecalentado
<0
m>0
m<0
TABLA N° 6: Estados termodinámicos, para la alimentación.
Acomodando la ecuación y tomando en cuenta la consideración anterior se tiene que:
(V´ −V)∗H = (L´ −L)∗H −F∗H Se procede a sustituir la ecuación (I) en (II), y realizando operaciones básicas se obtiene:
Dónde:
L´ −L = H −H = q F H −H
HV: Entalpia de la alimentación al punto de rocío (kJ/kgmol). HL: Entalpia de la alimentación al punto de ebullición (punto de burbuja) (kJ/kgmol). HF: entalpia de la alimentación a condiciones de entrada (kJ/kgmol).
q: La “calidad” q, se define como la relación
FIGURA N° 18: Orientación de la línea para ser representada en la curva.
Obteniendo las tres líneas que representa la columna la curva de equilibro nos ayudara obtener las etapas mínimas del proceso y a su vez la cantidad de platos necesario para dicho equipo.
entre la cantidad de calor necesario para vapo24
[4] Disponible en: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/n. htm#ixzz4f5D1SMvE. [5] Disponible en: http://elementos.org.es/nitrogeno. [6] Disponible en: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/claudiag/ DocuIPQ/IPQ%20La%20destilacion.pdf .
FIGURA N°19: Representación de la curva de equilibrio de un proceso de destilación fraccionada. RELACIÓN DE REFLUJO TOTAL 1. Indica la máxima cantidad de condensado que regresa a la columna. 2. El número de etapas teóricas es mínima y la altura de la columna es pequeña. 3. El diámetro de la columna es grande. 4. El calor en el rehervidor es alto
.
[7] Rodríguez, A. “ Ingeniería de GasFraccionamiento”. Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”. Venezuela. [8] Katz, Miguel “ Materiales y materia prima”. Primera edición 2011. “Colección Encuentro Inet”. Buenos aires- Argentina. [9] Disponible en: https://es.slideshare.net/alexandercolina1972/pre sentacin-mtodo-de-mc-cabe-thiele-por-zoraidacarrasquero.
[10] Material de apoyo “Universidad de Carabobo” 2015.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Disponible en: https://www.tplaboratorioquimico.com/laborat orio-quimico/procedimientos- basicos-delaboratorio/que-es-la-destilacion.html. [2] Disponible en: https://www.importancia.org/aire.php. [3] Ortuño, Ángel. “ Introducción a la Química Industrial ”. Segunda edición. Editorial Reverté S.A. Barcelona-España. 25
