TEMA 2. DESTILACIÓN Y RECTIFICACIÓN Contenido 2.1. Introducción 2.2. Destilación súbita o flash 2.3. Rectificación 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.1. Introducción Destilación: separación de una mezcla líquida de componentes miscibles entre sí en varios o cada uno de esos componentes individuales, mediante vaporización parcial. Basada en el uso de un Agente Energético de Separación (AES) Transferencia de materia entre fases L-V generadas La fase vapor generada se enriquece en los componentes más volátiles Tras el contacto entre las fases L y V, ambas se separan mediante gravedad Modalidades o En función del tipo de contacto entre fases o En función del número de etapas de contacto o En función del modo de operación Continuo: torres de relleno Intermitente: columnas de pisos o platos Una etapa: Destilación súbita o flash Múltiples etapas de contacto: Rectificación Continuo Discontinuo o por cargas 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V • Variables controlantes: temperatura, presión, concentraciones yA A • Tipos de equilibrio existentes: a) Térmico TL = TV b) Mecánico PL = PV • Regla de las fases de Gibbs: F=C-+2 Siendo • F : nª variables intensivas independientes (grados de libertad) • : nº total de fases del sistema Pvapor Tvapor Pliq Tliq xA c) Químico iL = iV • C : nº total componentes del sistema yA + yB=1 yB xB B xA + xB=1 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. y Curvas de equilibrio T TRocío vs y x TBurb vs x y Azeótropo x,y x 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. Curvas de equilibrio H, h HVS vs y HLS vs x x,y 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. Curvas de equilibrio 1º Balance de componente: T F z A L xB V yC Tcámara B A C TRocío vs ye 2º Balance Global: F L V TBurb vs xe xB zA yC 4º Sustituyendo [2] en [3] : L L z A z A xB yC V V x,y [1] [2] 3º Dividiendo [1] entre V : F L z A xB yC V V L yC z A AC V z A xB BA [4] [3] 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V Constantes de equilibrio (o de reparto) yi Ki xi [5] Estimación de K • Correlaciones gráficas (Ej.: Perry, R.) • Correlaciones analíticas: Formas rigurosas (basadas en ecuaciones de estado) Coeficientes de fugacidad Coeficientes de actividad Ki Ki L i V i iL iL V i HC y mezclas de gases ligeros desde Tª criogénica hasta Tª crítica[6] Todas las mezclas desde Tª ambiente hasta Tª crítica [7] 2.1. Introducción L V Coef. Fugacidad de i en mezcla líquida y i , i EQUILIBRIO L-V L V Constantes de equilibrio (o de reparto) i , i iS Estimación de K • Correlaciones analíticas: Formas aproximadas Ley de Raoult Ley de Raoult modificada Corrección de Poynting Ley de Henry Ki Ki Coef. Actividad de i en mezcla líquida, a T,P Pi S Presión de saturación a T V Ki Hi P Factor de corrección de Poynting Disoluciones líquidas no ideales a Tª próxima a la ambiente P i P Coef. Fugacidad de i puro a T, Psat Disoluciones ideales a Tª próxima a la ambiente [8] iL Pi S iL iS Pi S Coef. Fugacidad de i puro líquido y vapor, respectivamente, a T,P iL FP i Pi S Ki P vapor, respectivamente, a T y P FP i [9] Disoluciones líquidas a presión moderada y por [10] debajo de Tª crítica Bajas a moderadas presiones a Tª supercrítica [11] 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. Volatilidad relativa yi ij yA Ki xi Kj yj xj AB KA x A y A 1 x A K B yB x A 1 y A xB yA AB x A [12] 1 A B 1 x A Mezclas binarias Punto de Burbuja Nc Nc y K x i 1 i i 1 i i 1 [13] Nc i 1 i ,ref Ki K ref i , ref K ref xi 1 K ref 1 Nc i 1 i , ref xi [14] 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. Punto de Burbuja Suponiendo que Ki es independiente de la composición: Suponer T Tomar T para que Ki sea un factor de 1/Kixi Calcular PiV a T Calcular Ki NO Calcular Kixi ¿ Kixi = 1? SÍ Temperatura supuesta = TB Si Ki = f(T,P, composición) Henley y Seader Si Kixi es próximo a 1: yi K i xi Nc K x i 1 i i 2.1. Introducción EQUILIBRIO L-V. Punto de Rocío Nc Nc xi i 1 i 1 yi 1 Ki [15] Cálculo análogo a TB Contenido 2.1. Introducción 2.2. Destilación súbita o flash 2.3. Rectificación 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.2. Destilación súbita o flash Vapor V, yi, HV Alimento F, zi, TL, PL Cambiador QH Válvula TF, PF, Bomba HF Líquido L, xi, hL 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA Balances de materia: Relaciones de equilibrio Balance Global: F L V Componentes (equilibrio químico): K i Tcámara, Pcámara, x, y yi xi [5] Térmico: TV TL [16] Mecánico: PV PL [17] Componentes: [2] F zi L xi V yi [1] Balances de energía: F hF Q L hL V HV [20] 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA nº variables nº corrientes c 2 composiciones, T y P nº ecuaciones c 1 BM BE c 2 1 3 2 2 1 13 Qint ercambiado 2c 3 7 Equilibrios comp, T, P Variables de diseño (GL) 13 - 7 6 • Variables conocidas habituales (5): F, zF, TF, PF y PCámara • Variables adicionales (1): y, x, f = V/F, q = L/F, TCámara 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA A partir de los balances de materia: Línea de operación yi L L xi 1 zi V V [21] Si se especifica la fracción vaporizada (f) o la fracción líquida (q) tras destilación: L 1 f V f [22] L q V 1 q [23] La línea de operación puede expresarse como: yi z 1 f xi i f f [24] yi 1 q zi xi 1 q 1 q [25] 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA Solución gráfica: pte O.O. L 1 f q V f 1 q F 1 1 zi zi zi V f 1 q y O.O A Pte = -L/V zi h,H x HV, yi Balance de energía: [20] Q hF q hL (1 q) HV F hF+Q/F, zi hL, xi x,y 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA Solución gráfica: y • q > 1 Líquido subenfriado • q = 1 Líquido saturado • 0 <q < 1 Vapor húmedo q=1 0<q < 1 q=0 • q = 0 Vapor saturado • q < 0 Vapor sobrecalentado zi x 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA Caso más complejo: • Variables conocidas: F, zF, TF, PF, PCámara, Q Procedimiento iterativo • A resolver: y, x, V, L, TCámara Ejemplo: cálculo de Tcámara 1º Calcular hF 2º Estimar Tcámara 3º Calcular Ki 4º Calcular yi, xi 6º Con Tcámara , x, y calcular hL, HV NO FIN 5º Con B.M. calcular L,V SÍ 7º Mediante B.E. ¿coincide hF de 7º con hF de 1º? 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE nº variables nº corrientes c 2 composiciones, T y P nº ecuaciones c 1 BM BE c 2 1 3 c 2 1 3c 7 Qint ercambiado 2c 3 7 Equilibrios comp, T, P Variables de diseño (GL) 3c 7 - 2c 3 c 4 • Variables conocidas habituales (c+2): F, zi, TF, PF • Variables adicionales (2): PCámara, TCámara 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE Suponiendo que Ki es independiente de la composición: F L V B.M. Componentes: F zi xi L V Ki F zi L xi V yi xi zi 1 K i 1 [26] yi K ixi yi Cálculo de V/F: Nc Nc xi i 1 Nc V i 1 1 K i 1 F Nc yi i 1 zi 1 K i zi V i 1 1 K i 1 F 1 [29] [30] V F K i zi 1 K i 1 [27,28] V F 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE Rachford y Rice: Nc K i zi V i 1 1 K i 1 F Nc zi V i 1 1 K i 1 F K i 1 zi V i 1 1 K i 1 Nc 0 0 [31] F Calcular V/F con [31] Calcular xi, yi con [27,28] Calcular L y V con B.M. Calcular Q con B.E. 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE Caso más complejo: • Variables conocidas: F, zF, TF, PF, PCámara, Q Procedimiento iterativo • A resolver: y, x, V, L, TCámara Variables de iteración: V/F y Tcámara Caso a) mezclas con grandes divergencias entre TB y TR (80-100ºC) Estimar Tcámara Calcular Ki Estimar V/F Calcular xi, yi, L, V, HV y hL ¿Se cumple B.E.? SÍ NO FIN 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE Caso B) mezclas con pequeñas divergencias entre TB y TR Estimar V/F Estimar Tcámara Calcular Ki ¿Se cumple Rachford-Rice? SÍ NO Calcular xi, yi, L, V, HV y hL NO ¿Se cumple B.E.? SÍ FIN 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.3 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CÁMARA 1º. Cálculo de la velocidad del vapor máxima permisible (vmax) L V V vmax ft s K cámara [32] Kcámara exp A B LnFLV C LnFLV D LnFLV E LnFLV Siendo: 2 FLV L V V L A = -1,877478097 C = -0,1870744085 B = -0,8145804597 D= -0,0145228667 3 [34] E = -0,0010148518 4 [33] 2.2. Destilación súbita o flash 2.2.3 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CÁMARA 2º. Cálculo del área transversal (AL) V MWV AL vmax 3600 V Siendo: [35] MW= Peso molecular (lb) 4 AL D V= Caudal vapor (lbmol/h) 3º. Determinar D/L hV 36 1 Dtubería_ ent 2 1 hF 12 Dtubería_ ent 2 hL V Mínimo 48” F Mínimo 18” hV hF hL Vacum_ líq D2 4 L hV hF hL D D [36] L [37] Si L/D < 3 más volumen de liq. acumulado Si L/D > 5 cámara horizontal Contenido 2.1. Introducción 2.2. Destilación súbita o flash 2.3. Rectificación 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.3. Rectificación 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN 2.3. Rectificación Sector de agotamiento Sector de enriquecimiento 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN 2.3. Rectificación 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN a. Pisos con vertederos b. Pisos sin vertederos L V V L V V V L 2.3. Rectificación 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN a.1 Pisos perforados 2.3. Rectificación 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN a.2 Pisos de válvulas 2.3. Rectificación 2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN a.3 Pisos de campanas 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS I. Variables de diseño VD VD Elementos Cc c 2 Vc [38] • (VD)Elementos = variables de diseño de cada elemento o dispositivo • Cc = corrientes comunes • Vc = variable de construcción Variables Ecuaciones • Composiciones (c) • Balances de materia por componentes (c-1) • Temperatura y presión (2) • Balance de materia global (1) • Calor intercambiado (1) • Balance de energía (1) • Equilibrio químico (c) • Equilibrio térmico (1) • Equilibrio mecánico (1) • División de corriente (c+1) 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS I. Variables de diseño Ejemplo 1: etapa de equilibrio n º variables nº corrientes c 2 composiciones, T y P c 2 nº ecuaciones c 1 BM BE 1 Qint ercambiado 4 c 2 1 4c 9 Vn, yn Ln+1, xn+1 2c 3 7 Equilibrios comp, T, P Vn-1, yn-1 VD etapa 4c 9 - 2c 3 2c 6 L n, x n Ejemplo 2: divisor de corriente nº variables nº corrientes c 2 composiciones, T y P nº ecuaciones c 1 BM BE c 1 1 Qint ercambiado 2c 2 x iL1 x iL2 , TL1 TL2 , PL1 PL 2 VD divisor 3c 7 - 2c 2 c 5 3 c 2 1 3c 7 L1 L Q L2 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS I. Variables de diseño Condensador parcial + Sector de enriquecimiento + etapa de alimentación + sector de agotamiento + caldera VD = C+7 = 9 • Variables fijas = 5 (F, zF, TF, PF, PD) • Variables libres = 4 (yD, xR, LD/D, aóptimo) Condensador total + Sector de enriquecimiento + etapa de alimentación + sector de agotamiento + caldera VD = C+8 = 10 • Variables fijas = 5 (F, zF, TF, PF, PD) • Variables libres = 5 (yD, xR, LD/D, aóptimo, TD) 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo Consideraciones previas Presión • PD = 10 atm; PR = 10,7 atm • ∆P columna = 0,35 atm • ∆P condensador = 0,35 atm • PD = 1 atm; PR = 1,7 atm VM+N D LD • PD = 0,1 atm; PR = 0,8 atm Condición del alimento • ¿Destilación súbita? Calcular TBurb, TRocío, q Condensador • Condensador parcial: LD líquido a TBurb; D vapor a TRocío R • Condensador total: LD y D líquidos a T TBurb Razón de reflujo • Interna: LD / VM+N • Externa: LD / D Balance económico: 1,2·(LD/D)min < (LD/D)óptimo < 2·(LD/D)min 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo VM+N SIMPLIFICADOS • Suponen flujo molar de cada fase constante en cada sector D LD • Resolución a través de balances de materia y relaciones de equilibrio A • Válido si: • Calores latentes de los dos componentes son iguales • Calores de mezcla, pérdidas de calor y variaciones de calor sensible del L y V despreciables • Por cada mol de vapor que condensa, se evapora un mol de líquido • Resolución empleando caudales y fracciones molares R 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis Datos de partida: • Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD • Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo • Equilibrio K = f(T) 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS D, zD VM+N II. Métodos de cálculo Condensador SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis Vn Ln Etapa n+1 Etapa n Etapa n-1 A, zA Caldera R, xR Sector Enriquecimiento LD 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS VM+N II. Métodos de cálculo D, zD Condensador SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis LD A, zA Caldera R, xR 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS D, zD VM+N II. Métodos de cálculo Condensador SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis LD Etapa m Vm Lm Caldera Etapa m-1 Etapa m-2 R, xR Sector Agotamiento A, zA 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Datos de partida: • Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD • Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo • Curva de Equilibrio Recta operativa Sector Enriquecimiento L D xD yn n xn 1 [39] Vn Vn Recta de Alimentación q z yn xn 1 A q 1 q 1 [40] Recta operativa Sector Agotamiento L R xR [41] ym m xm1 Vm Vm 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Condición térmica del alimento 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Posición óptima del piso de alimentación 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Condiciones de operación límite Número mínimo de pisos LD LD D 0 L D VM N 1 D VM N 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Condiciones de operación límite Razón de reflujo mínimo 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele PAPEL LOGARÍTMICO: Se utiliza cuando las purezas de los componentes son extremos (XD ó XR 99,9%). Las rectas operativas se transforman en curvas por lo que necesitaremos varios puntos para su representación. Los escalones serán rectos. 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele PAPEL PROBABILÍSTICO: Permite representar simultáneamente concentraciones altas y bajas. 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Corrientes laterales, alimentaciones múltiples 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele Vapor directo como agente de calefacción VM+N D LD A Vm C Etapa m+1 Lm+1 Etapa m R ym Lm R xR C yC xm1 Vm Vm 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel Datos de partida: • Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD • Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo • Datos de equilibrio a distintas presiones • Datos entálpicos 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit • ∆D = caudal neto de energía en sector superior • ∆R = caudal neto de energía en sección inferior • Recta ∆D―∆R: recta polar LD M D H M N D B D H M N hD BC [42] 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit Condiciones de operación límite Número mínimo de pisos LD MD D 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit Condiciones de operación límite Razón de reflujo mínima [42] M D min H M N D min B LD D H h BC min M N D 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS II. Métodos de cálculo RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit Extracciones laterales o alimentaciones múltiples • Nº polos = Nº secciones de columna • Nº rectas polares = Nº secciones de columna – 1 • Polos de secciones consecutivas están alineados a través de la VM+N corriente lateral que los separa LD Vapor directo como agente de calefacción • T = R-C = Lm+1 – Vm = A-D [43] • T·zT = R·xR [44] • C = T·HT = R·hR - C·HC [45] D A Vm C Etapa m+1 Lm+1 Etapa m R 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo A) APROXIMADOS. Basados en: A.1) Condiciones límite de operación • Fenske: Reflujo Total. Estimación del número mínimo de etapas de contacto de equilibrio • Underwood: Relación de reflujo mínima. Estimación de la relación de reflujo mínima • Gilliland: Estimación del número de etapas de contacto de equilibrio • Kirkbride: Estimación de la localización de la etapa de alimentación “Operaciones de separación por etapas de equlibrio en Ingeniería Química”. E.J. Henley y J.D. Seader. A.2) Factores de absorción-desorción efectivos: Método de Edmister “Operaciones de separación por etapas de equlibrio en Ingeniería Química”. E.J. Henley y J.D. Seader. 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo B) SIMPLIFICADOS. Basados en: Resolución del sistema de ecuaciones formado por los balances de materia, las relaciones de equilibrio y las relaciones de identidad, asumiendo caudales constantes en cada sector de la columna solamente alterados por una entrada/salida de materia o energía C) RIGUROSOS. Basados en: Al sistema de ecuaciones anterior se añaden los balances entálpicos en cada etapa de contacto, lo que permite estimar la variación de los caudales de vapor y líquido entre etapas dentro de cada sector. • Basados en el cálculo etapa por etapa: Lewis-Matheson, Thiele-Geddes • Basados en el cálculo por componentes: Amundson-Pontinen, Bubble-Point (BP), Sum-Rates (SR), Newton-Raphson. 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS MÉTODO DE FENSKE: Reflujo total con etapas de contacto en equlibrio N min xCL x Ln CP D xCL xCP R m Ln CL ,CP N min [46] d CL d Ln CP D d CL d CP R m Ln CL ,CP m CL ,CP CL,CP D CL,CP R [48] Distribución de los componentes no clave ai di ri [47] di d r N i ,r min ri rr ri ai d N 1 r i ,r min rr [49] 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS MÉTODO DE UNDERWOOD: Condiciones de reflujo mínimo En mezclas binarias la localización de la etapa más restrictiva para definir una posible zona pinch es la alimentación. En el caso de mezclas binarias con comportamiento no ideal esa etapa puede estar en el sector de enriquecimiento o en el sector de agotamiento En el caso de mezclas multicomponentes, si hay especies que no se distribuyen en ambos sectores puede haber zonas pinch tanto en el sector de enriquecimiento como en el de agotamiento: • Compuestos no-clave pesados que no se distribuyen: pinch en el sector de enriquecimiento • Compuestos no-clave ligeros que no se distribuyen: pinch en el sector de agotamiento 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS MÉTODO DE UNDERWOOD: Condiciones de reflujo mínimo 1º. Determinar θ: i ,r ziF 1 q i 1 i ,r 2º. Determinar (LD/D)min: c i ,r xiD L 1 D min D i 1 i , r c [50] Cuando no existen componentes interclave: CP,CP CL,CP [51] 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS MÉTODO DE GIILLILAND: Cálculo del número de etapas de contacto de equilibrio teóricas 1 54,4 X X 1 Y 1 exp 0, 5 11 117,2 X X Y N N min N 1 LD LD D D X min LD 1 D [53] [54] [52] 2.3. Rectificación 2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS MÉTODO DE ERBAR-MADDOX: Cálculo del número de etapas de equilibrio teóricas Contenido 2.1. Introducción 2.2. Destilación súbita o flash 2.3. Rectificación 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.1 PARÁMETROS DE DISEÑO a) Capacidad de la columna b) Caída de presión c) Costes d) Facilidad de operación Formación de espumas Anegamiento Mala distribución del líquido Goteo e) Eficacia de la columna 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.1 PARÁMETROS DE DISEÑO Límites de operación estable de pisos 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA F F g Fr Ff Ff Fr 0 d F f V g 6 3 P d P2 Vg Fr CR V 4 2 2 Fg d P3 Fg L g 6 0,5 V Vg CSB L V 4 dP g CSB 3 CR 0,5 [55] CSB: Parámetro de capacidad de Souders y Brown [56] 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA Límites de anegamiento para pisos de campanas de burbujeo y pisos perforados 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA Correlación de Fair CSB C FTS FE FVA FTS= Factor de tensión superficial FE= Factor de espuma dinas cm FTS 20 0, 2 FE = 1 (sistemas no espumantes) FE > 0,75 (sistemas espumantes, absorbedores) FVA= relación entre orificios de paso del vapor y área activa de plato FVA 1 A FVA 5 V 0,5 Aa para para AV 0,1 Aa AV 0,1 Aa 0,06 [57] 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA 1. Localizar el piso con caudales de L y V máximos (Lp y Vp). 2. Suponer un espaciado entre pisos : Hv ~ 15-25 in 3. Estimar la densidades de líquido y vapor (ρL y ρV). 4. Calcular la velocidad límite de arrastre (Vg) 5. Estimar una velocidad para calcular el diámetro de la columna (VV): 6. • Sistemas espumantes: VV = 70-75 % Vg • Sistemas no espumantes: VV = 80-85 % Vg Determinar el área neta de flujo del vapor: Aa = QV / VV 7. Seleccionar el tipo de piso en función del caudal de líquido en m3/h (Tabla 12.1) 8. Seleccionar un valor del área de vertedero como porcentaje del área de la columna, correspondiente al diámetro de la columna seleccionado (Tabla 12.2). 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA 9. Calcular el área de la columna: ACol Aa (% ACol )V ACol Aa Avert Adl Ano_ útil [58] [59] 10. Calcular el diámetro de la columna: 4 DCol ACol 1 2 [60] 11. Comprobar que el espaciado entre pisos está dentro de los límites recomendados para el diámetro de la columna calculado: • DCol = 0,78 -1,5 m → HV = 18 in (0,4572 m) • DCol = 1,5- 7,5 m → HV = 24 in (0,6096 m) • Flujo cruzado: QL ⦤ 0,015 m3/s por metro de diámetro • Resto: QL ⦤ 0,032 m3/s por metro de longitud de presa 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA Tabla 9.1: Selección de tipo de piso en función del caudal de líquido (m3/h) 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA Tabla 9.2: Distribución aproximada de áreas como porcentaje del área de la columna 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.3 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA H H min HV N [61] H min 3 HV [62] 2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA Variables que influyen sobre la eficacia de piso • Sistema gas-líquido • Tipo de piso • Diámetro del piso • Altura del líquido en el piso • Espaciado entre pisos • Viscosidad del líquido • Tensión superficial del líquido • Volatilidad relativa de los componentes clave •etc. - FLUJO DE TRANFERENCIA DE MATERIA A TRAVÉS DEL GAS - FLUJO DE TRANSFERENCIA DE MATERIA A TRAVÉS DEL LÍQUIDO - GRADO DE MEZCLA DEL LÍQUIDO - ARRASTRE DE LÍQUIDO POR EL GAS 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA Eficacia global N teórico ET N real [63] Eficacias individuales de Murphree yn Composición uniforme de L y V en piso EMG yn yn 1 yne yn 1 EML xn 1 xn xn 1 xne [64] Yn-1 Eficacias puntuales Composición no uniforme de L y V en piso EGT y yn 1 ye yn 1 Xn ELT xn 1 x xn 1 xe [65] Xn+1 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global Correlación de Drickamer-Bradford 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global Correlación de O´Connell 2.4. Diseño de columnas de pisos 2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global MÉTODO A.I.Ch.E. PARA EL CÁLCULO DE LA EFICACIA DE PISO