DESTILACION – Definición Diagrama simplificado Principales

Industrias II – Destilación
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DESTILACION – Definición
Método para separar componentes de una solución líquida (binaria, ternaria, etc.)
Vaporización parcial – Distribución de sustancias en una fase gaseosa y una líquida.
El vapor obtenido es más rico en el componente más volátil .
Diagrama simplificado
Mezcla binaria
80% A
20% B
Mezcla binaria
50% A
50% B
vapor
Condensación
A
A
B
Destilación
B
líquido residual
A
B
Calor
Mezcla binaria
35% A
65% B
Principales aplicaciones
Obtención de distintos cortes de refinados a partir de petróleo crudo
Purificación de solventes.
Otros métodos de separación de componentes de una
solución:
Desorción
Extracción líquido / líquido
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Introducción teórica - Leyes de equilibrio
(Soluciones líquidas binarias ideales A+ B)
A= Componente + volátil
Ley de Dalton
P A = yA . P
PB = ( 1 – yA ) . P
Ley de Henry
P A = H A . XA
PB = HB . XB
Ley de Raoult
PA = XA . PvA(T)
PB = XB . PvB
XA . PvA
yA = -------------P
Presión
(T = cte)
XB . PvB
yB = -------------P
Psolución
PvA
P. ext
pA
pB
Fracción molar
XA
55 % A
45 % B
100 % A
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Introducción teórica - Diagramas de sistemas binarios
(Soluciones líquidas binarias ideales)
Puntos de ebullición
Vapor
Temp.
(P = cte)
T3
Punto de
rocío
T2
Punto de
burbuja
T1
Líquido
Fracción molar
líquido
25 % A
75 % B
vapor
65 % A
35 % B
solución
40 % A
60 % B
100 % A
Equilibrio de composición
yA
Temp
(P = cte)
fracción molar comp. A
Diagrama de puntos de ebullición
xA = fracción molar líquido
Diagrama de equilibrio de composición
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Introducción teórica - Otras soluciones
(Soluciones líquidas binarias reales)
Mezcla Benceno / Etanol
Presión
(T = cte)
Mezcla Cloroformo / Acetona
Presión
(T = cte)
fracción molar comp. A
Temp
(P = cte)
fracción molar comp. A
Temp
(P = cte)
fracción molar comp. A
fracción molar comp. A
y = f.m.
vapor
y = f.m.
vapor
x = fracción molar líquido
x = fracción molar líquido
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Introducción teórica - Volatilidad relativa
(Soluciones líquidas binarias reales)
Volatilidad relativa: definición
Medida del grado de separación posible.
Es función de las presiones de vapor de cada componente.
Es función además de las concentraciones de cada fase (vapor y líquido)
PvA
α = -------------PvB
YA / (1 – YA)
α = --------------------XA / (1 – XA)
La separación por destilación es posible sólo si α > 1
y
y
α>1
x = fracción molar líquido
ES POSIBLE separar por destilación
α=1
x = fracción molar líquido
NO ES POSIBLE separar por destilación
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Destilación Flash – Introducción / Proceso
Evaporación rápida -En una sola etapa
Vaporización de una fracción definida del líquido.
Condensación del vapor
Se usa para componentes que tienen T de ebullición muy diferentes.
Diagrama simplificado
D
(destilado)
separador
F
(alimentación)
intercambiador
de calor
Balance de masa
válvula
columna de
destilación
W
(líquido)
F=D+W
F . Xf = D . Yd + W . Xw
D=q.F⇒W=(1–q).F
q = cantidad de líquido qur se vaporiza -Destilado obtenido
q = f (entalpía, calor entregado, Δpresión)
F . Xf = q. F . Yd + ( 1 – q) . F . Xw
Xf
( 1 – q ) . Xw
Yd = ------ – -------------------Q
q
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Destilación continua.
9 Contacto continuo del líquido y el vapor
9 Para separar compuestos con puntos de ebullición próximos
9 Múltiples etapas
Qc
D xd
Lo Xo
V
L
F XF
V’
L’
QB
W Xw
DIAGRAMA SIMPLIFICADO
BALANCES PARA LA COLUMNA COMPLETA
F = D+W
F *Xf = D * Xd + W * Xw
F * HF = D* HD + W * Hw + Qb - Qc
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Rectificación.
(PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION)
V1 y1
|
Qc
D xd
Lo xo
V2 y2
QL1 x1
L2 x2
Vi yi
Li xi
Vn yn
Ln xn
Vn+1
Yn+1
Balance Global
Vn+1 = D + Ln
Balance para el componente + volátil
Vn+1 * yn+1 = D*xd + Ln * xn
yn+1 = (D*xd)/ Vn+1 +(Ln*xn)/Vn+1
Suponemos que:
λa = λb
Qp = 0
ΔHs = 0
Cp pequeños
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Entonces Lo= L1= L2=L3=… =Ln
V1 = V2 = V3=… = Vn
Como L/V = cte
Resulta
yn+1 = L/V * xn + D/V * xd
Recta de operación superior (ROS)
Si xn=xd
yn+1= xd
Se define L/D = R Relación de reflujo
yn+1 = (R/R+1)* xn + (1/R+1) * xd
Para xn = o
yn+1 = xd/ R+1
yA
Xd/ R+1
XA
x
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Agotamiento.
(PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION)
L’o
V’1
L’1
V’2
L’2
V’3
L’3
V’n+1
QB
W Xw
Balance Global
V’1 + W= L’o
Balance para el componente + volátil
V’1 * Y1 + W*Xw = L’o *Xo
Y1=- W /V’*Xw +L’/V’*Xo
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Ecuaciones simplificadas considerando L’ y V’ constantes
Para el plato n resulta:
yn =L’/V’ * xn – W/V’ * xw
Recta de operación inferior (ROI)
Si xn=0
yn= xw
Y
L’/V’
yn
xw
X
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Balance para la alimentación
V
L
T = temperatura del plato
ΔV
F
V’
t= temperatura de la alimentación
L’
Si t = T no hay cambios térmicos en el plato
ΔV = 0
L’= L + F
Si t <T
L’ = L + F +ΔV
Calor sensible
Cm = Σci * xi
xi = fracción molar del componente i
Calor sensible para llevar a F a la temperatura del plato
Calor latente
Regla de TROUTON
λ/ T ≅ cte
λ = calor molar
T = temperatura de ebullición absoluta
Qs = F Cm (T-t) = λ ΔV
ΔV = F Cp (T-t)/λ
L’ = L + F + F Cp (T-t)/λ = L+ F (λ+(Cp (T-t) )/ λ
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Parametrizando llamamos q a
(λ+(Cp (T-t) )/ λ
Luego resulta L’ = L + F * q
Surgen distintas posibilidades.
Líquido frío (no saturado) q >1
Líquido a la temperatura de ebullición (saturado) q =1
Mezcla líquido-vapor
Vapor saturado
0< q <1
q=0
Vapor sobrecalentado
q<0
V’ = V + F (q-1)
Buscamos la intersección de la ROS y la ROI para llegar a la ecuación de la recta de
alimentación
Y=
q
x - xf
q–1
q -1
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q=1
q<1
q>1
q=0
q<0
y
xw
xf
xd
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RELACION DE REFLUJO MINIMO
ECUACIÓN DE FENSKE-UNDERWOOD
Para una mezcla binaria
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Rm = 1/α * ( xd/xf - α * (1-xd)/ (1-xf) )
REFLUJO OPTIMO
Mayor reflujo, mayor consumo de vapor
Costo total
costo
Costos
operativos
Carga fija
(columna)
R optimo
reflujo L/D
Se adapta REFLUJO OPTIMO = 1.5 REFLUJO MINIMO
EFICIENCIA DE PLATOS
Factores que influyen en la eficiencia
Arrastre de gotas .
Corto circuito y canalizaciones
Elevada perdida de carga
Baja Velocidad del gas
DIÁMETRO DE LA COLUMNA
V = KV *( (δL -δG)/ δG)
0.5
S = CAUDAL DE GAS / VELOCIDAD DEL GAS
FIN