DESTILACIÓN - RECTIFICACIÓN · Método de Ponchon - Savarit. DESTILACIÓN de MEZCLAS BINARIAS Métodos de cálculo simplificados LOS FLUJOS MOLARES DE CADA FASE PERMANECEN CONSTANTES

DESTILACIÓN - RECTIFICACIÓN

Definición

Separación de los componentes de unacorriente alimento líquida (o vapor) medianteun vapor (o líquido) generado porcalefacción (o condensación) de la mezclacalefacción (o condensación) de la mezclaoriginal, en otras dos, destilado y residuo ,con las calidades deseadas

Agente energético de separación (AES)

DESTILACIÓN - RECTIFICACIÓN

Factores positivos

� Agente energético de separación

� Fácil aporte y eliminación de energía

� Gran diferencia de densidades entre las fases

� Elevada tensión superficial� Elevada tensión superficial

Factores negativos

� Diferencia de temperatura entre cabeza y fondo de columna demasiado grande o pequeña

� Presión de trabajo, función de las presiones de vapor de saturación de los componentes

� Daño en sustancias termosensibles

COLUMNA DE DESTILACIÓN

Caldera

Pisos

Condensador

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total

Recipiente de separación

M+NV

L

LD

QR

A, zAAlimento

Piso inferior

Piso de alimentación

Residuo

R, xR

Caldera

1

M=a

V

L

L


Caldera

Pisos

Condensador

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total


M+NV

L

LD

� Entrada de la corriente líquida desde el fondo de la columna

�Suministro de energía (AES)

� Generación de una corriente de vapor que retorna a la columna

� Salida del residuo QR

A, zAAlimento

Piso inferior


Residuo

R, xR

Caldera

1

M=a

V

L

L


Caldera

Pisos

Condensador

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total


M+NV

L

LD

� Entrada de las corrientes líquida y vapor desde los pisos superior e inferior, respectivamente

�Contacto íntimo y prolongado entre las fases

� Salida de las corrientes líquida y vapor hacia los pisos inferior y superior, respectivamente

� Entrada del alimento en el piso adecuado

QR

A, zAAlimento

Piso inferior


Residuo

R, xR

Caldera

1

M=a

V

L

L


Caldera

Pisos

Condensador

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total


M+NV

L

LD

� Entrada de la corriente vapor desde la cabeza de la columna

� Eliminación de energía (AES)

� Generación de la corriente líquida que retorna a la columna

� Salida del destilado (líquido o vapor) QR

A, zAAlimento

Piso inferior


Residuo

R, xR

Caldera

1

M=a

V

L

L

COMPONENTES CLAVECOMPONENTES CLAVE

Una columna de destilación únicamentesepara dos componentes de una mezcla enotras dos con las calidades deseadas

CL: componente clave ligero

CP: componente clave pesado

COMPONENTES CLAVE

Destilado

Residuo

� Todo de los compuestos más ligeros que el clave ligero (CL)ligero (CL)

� Cantidades especificadas de los compuestos clave ligero (CL) y clave pesado (CP)

� Cantidades aproximadas de los compuestos interclave

� Nada de los compuestos más pesados que el clave pesado (CP)

COMPONENTES CLAVE

Destilado

Residuo

� Todo de los compuestos más pesados que el clave pesado (CP)pesado (CP)

� Cantidades especificadas de los compuestos clave ligero (CL) y clave pesado (CP)

� Cantidades aproximadas de los compuestos interclave

� Nada de los compuestos más ligeros que el clave ligero (CL)

PRESIÓN DE FUNCIONAMIENTO

1. Leer xi,D , xi,R

Condensador TOTAL y PD = 0,2 MPa si (PD)Burb

< 0,2 MPa

SI

2. Calcular (PD)Burb a 49 ºC

3. ¿(PD)Burb < 1,48 MPa?

NO

Condensador PARCIALSI

4. Calcular (PD)Rocío a 49 ºCNO

6. Elegir un refrigerante y PD = 2,86 MPa

NO

5. ¿(PD)Rocío < 2,52 MPa?

PRESIÓN DE FUNCIONAMIENTO

7. Estimar PR a partir de PD

10. Leer PD , PR

SI

8. Calcular (TR)Burb a PR

9. ¿(TR)Burb < TC , TDesc?TC , TDesc?

11. Disminuir PR

NO

CONDICIONES LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO

Razón de reflujo mínima

Número de pisos infinito

Zonas de conjunción o infinitud

Razón de reflujo infinita

Número de pisos mínimo

CONDICIONES LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO

Razón de reflujo óptima

M+N

Costes

totale

s

Cos

te a

nual

por

uni

dad

de d

estil

ado

(LD/D) (L

D/D)

min

(M+N)min

Costes de operación

Costes

totale

s

Costes fijo

s

(LD/D)

min (L

D/D)

opt

Cos

te a

nual

por

uni

dad

de d

estil

ado

LD/D

DESTILACIÓN de MEZCLAS BINARIAS

Nomenclatura

CaudalesCaudales molaresmolares totalestotales:: A,A, D,D, R,R, L,L, VV

FraccionesFracciones molaresmolares:: zzii,, xxii,, yyii

CaudalesCaudales molaresmolares individualesindividuales:: aaii,, ddii,, rr ii,, ll ii,,vvii

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total


M+NV

L

LD

ii

EntalpíasEntalpías específicasespecíficas:: h,h, HH

ComponentesComponentes:: i,i, jj

PisosPisos:: p,p, n,n, m,m, aa

CalderaCaldera:: RR CondensadorCondensador:: DD

QR

A, zAAlimento

Piso inferior


Residuo

R, xR

Caldera

1

M=a

V

L

L


Variables de diseño

Caldera + Sector de agotamiento + Piso de Alimentación + Sector de enriquecimiento + Condensador parcial

Vdiseño = C + 7 = 9

Vdiseño fijas = 5 (A, zA, TA, PA, PD)

Vdiseño libres = 4 ( yD, xR, LD/D, aopt)


Variables de diseño

Caldera + Sector de agotamiento + Piso de Alimentación + Sector de enriquecimiento + Condensador total

Vdiseño = C + 8 = 10

Vdiseño fijas = 5 (A, zA, TA, PA, PD)

Vdiseño libres = 5 ( yD, xR, LD/D, aopt, TD)


Consideraciones previas

Presión ∆PColumna= 35 x 1 = 35 kPa

∆PCondensador= 15 kPaAlimento

CondensadorCondensador

Razón de reflujo

PD = 1000 kPa; PR = 1050 kPa

PD = 100 kPa; PR = 150 kPa

PD = 10 kPa; PR = 60 kPa



Presión ¿ Destilación súbita ?

Alimento


Razón de reflujo� Calcular TBurb y TRocíodel alimento a la presión de la columna

� Calcular (V/A) resultado de la destilación súbita



Presión ¿ Qué estado físico ha de tener el destilado ?

Alimento


Razón de reflujo� Condensador parcial: LD líquido a su TBurb ; D vapor a su TRocío

� Condensador total: LD y D líquido a TD < o = TBurb



Presión Balance económico

Alimento


Razón de reflujo

1,2 (LD/D)min < (LD/D)opt < 2,0 (LD/D)min


Métodos de cálculo simplificados

� Método de Lewis

� Método de McCabe - Thiele

Métodos de cálculo rigurosos

� Método de Sorel

� Método de Ponchon - Savarit



LOS FLUJOS MOLARES DE CADA FASE PERMANECEN CONSTANTES EN CADA SECTOR DE LA COLUMNA

SE PUEDE PRESCINDIR DEL BALANCE DE ENTALPÍA EN CADA PISO


Significado físico de q del alimento

Piso a+1 = M+1

La+1Va

Piso a = M

La+1xa+1ha+1

La+1

xa+1

ha+1

VayaHa

Va

ya

HaAzAHA

Calor necesario para vaporizar un mol de alimento

Calor latente de vaporización


Significado físico de q del alimento

q > 1 Líquido a T < TBurb

q = 1 Líquido a T = TBurb

0 < q < 1 Mezcla líquido + vapor

q = 0 Vapor a T = TRocío

q < 0 Vapor a T > TRocío

MÉTODO DE LEWIS

Datos de partida: A, zA, TA, PA, PD, zD, xR, (LD/D)

1. D, R

2. Ln , Vn 11. TM-1 , xM-1

12. Repetir 10 y 11 hasta

xR

3. TD , TR , xD , yR

4. yM+N

5. TM+N , xM+N

6. Repetir 4 y 5 hasta q, TM+1 , xM+1

7. Lm , Vm

8. yM

9. TM , xM

10. yM-1

MÉTODO DE McCABE - THIELE

0,6

0,8

1,0

Recta de alimentación

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,2

0,4

y

x

xDxAxR

CONDICIÓN TÉRMICA DEL ALIMENTO

0,6

0,8

1,0

0 < q < 1

q = 1

q > 1

y

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

q < 0

q = 0

xR

zA

zD

x

NÚMERO MÍNIMO DE PISOS

0,6

0,8

1,0

Curva de equilib

rio

y

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

Diagon

al (y

= x)

xR

zA

xD

x

POSICIÓN ÓPTIMA DE ALIMENTACIÓN

0,6

0,8

1,0

4

3

2

1

D

Curva de equilib

rio

y

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

7

11

10

8 6

9

5

xR

zA

yD

x

POSICIÓN ÓPTIMA DE ALIMENTACIÓN

0,6

0,8

1,0

D

11

10

987

5

6

Curva de equilibrio

y

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

4

3

2

1

xR

zA

yD

x

RAZÓN DE REFLUJO MÍNIMA

0,6

0,8

1,0

P '

P

D

Curva de equilibrio

y = x)

y

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

P

R

Diagon

al (y

= x

xR

zA

xD

x


0,6

0,8

1,0

y

(Ln/V

n)min

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,2

0,4

zD

zA

xR x

VOLATILIDADES RELATIVAS MUY BAJAS

0,6

0,8

1,0

xD

20

10

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,2

0,4

xR

xA

40

30

y

x

VOLATILIDADES RELATIVAS MUY BAJAS

0,04

0,05

0,06

30

20y

- x

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00

0,01

0,02

0,03

Recta de operación del sector de enriquecimiento

Recta

de o

pera

ción d

el se

ctor d

e ag

otam

iento

xA

xR x

D

40

10

x

PAPEL DOBLE LOGARÍTMICO

0,01

0,1

1

1E-4 1E-3 0,01 0,1 11E-4

1E-3

0,01

y

x

PAPEL PROBABILÍSTICOPAPEL PROBABILÍSTICO

50607080

9095

9899

99,5

99,9

99,99

99,999

99,9999

% vapor

1E-

4

1E-

3

0,0

1

0,1

0,5 1 2 5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

95

98

99

99

,5

99

,9

99

,99

99

,99

9

99

,99

99

1E-4

1E-3

0,01

0,1

0,512

510

20304050% vapor

% líquido

MÉTODO DE McCABE MÉTODO DE McCABE -- THIELETHIELE

0,6

0,8

1,0

y

Recta de operació

n de enriquecimiento

QD

Piso superior

Destilado

D, xD

Condensador total


M+NVn

LD

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,2

0,4

x

R xR

(R-C)

Rec

ta d

e op

erac

ión

de a

gota

mie

nto

xR

xA

xD

A, zAAlimento

Piso inferior


Residuo

R, xR

1

M=a

Vm

Lm

Ln

Vapor de aguaC, xC


0,6

0,8

1,0

Curva de equilibrio

y

QD

A, zA

Alimento

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

yB

Diagon

al (y

= x)

xR

xA

xD

x QRResiduo

R, xR

Caldera

1

Alimento

B, zB


0,6

0,8

1,0

Curva de equilib

rio

y

QD

A, zA

Alimento

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

xB

Diagon

al (y

= x)

xR

xA

xD

x QR

Residuo

R, xR

Caldera

1

Extracción

B, zB



� Método de Lewis

� Método de McCabe - Thiele

Métodos de cálculo rigurosos

� Método de Sorel

� Método de Ponchon - Savarit

MÉTODO DE SOREL

Datos de partida: A, zA, TA, PA, PD, zD, xR, (LD/D)

1. D, R

2. LD , VM+N

3. T , T , x , y7. xM , hM

8. VM-1 , yM-1, TM-1, HM-1, LM

9. xM-1 , hM-1

10. Hasta caldera

3. TD , TR , xD , yR

hD , hR , HD , HR

4. yM+N

5. TM+N , xM+N , hM+N , HM+N

5.1. MD , QD 5.2. MR , QR

5.3. VM+N-1, yM+N-1, TM+N-1, HM+N-1, LM+N

5.4. xM+N-1 , hM+N-1

6. VM , yM , TM , HM

MÉTODO DE PONCHON-SAVARIT

HHAA

HHCC

HHBB

xxCC xxBBxxAA

(((( ))))(((( )))) CBA

CBA

HBAHBHA

xBAxBxA

CBA

++++====++++++++====++++

====++++

AC

AC

CB

CB

xx

HH

xx

HH

−−−−−−−−

====−−−−−−−−


DD D

QM h

D− =

RR R

QM h

R− =

1n D nL M H+ −=

Vm

Vn

H-y1

VM+N

∆D

h, H

1

1

n D n

n D n

L M H

V M h+

+

−=−

D M ND

M N D

M HL

D H h+

+

−=−

1

1

m m R

m m R

L H M

V h M+

+

−=−

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Lm+1

L

n+1 h-x

1

LD A

R

D

∆R

xR x

A x

D

x1, y

1


43

8 756

2

H-y1

VM+N

∆D

h, H

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

4 2

1

h-x1

LD

A

R

D

∆R

xR x

A x

D

x1, y

1

NÚMERO DE PISOS MÍNIMO

4,7 43

21

H-y1

h, H

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1

h-x1

xR x

D

x1, y

1


(∆D)

min

H-y1

h, H

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

(∆R)

min

h-x1 A

R

D

xR x

A x

D

x1, y

1


(∆D)

min

H-y1

h, H

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

(∆R)

min

h-x1 A

R

D

xR x

A x

D

x1, y

1

ALIMENTACIÓN DIRECTA VAPOR DE AGUA

S

C H-y1

VM+N

∆D

h, H

QD

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

♦D

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

zC h-x

1

LD

A R

D

∆C

xR x

A x

D

x1, y

1

A, xA

Alimento

Residuo

R, xR

Vapor de aguaC, xC

♦C

EXTRACCIÓN LATERAL + ALIMENTACIÓN

∆T

H-y1

VM+N

∆D

h, H

QD

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

Extracción

S, xS

♦D

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

xS

S h-x

1

LD A

R

D

∆R

xR x

A x

D

x1, y

1 QR

A, xA

Alimento

Residuo

R, xR

Caldera

1

S, xS

♦T

♦R

ALIMENTACIÓN + EXTRACCIÓN LATERAL

H-y1

VM+N

∆D

h, H

QD

A, xA

Alimento

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

ξ D

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

S

xS

∆T

h-x1

LD A

R

D

∆R

xR x

A x

D

x1, y

1 QR

Residuo

R, xR

Caldera

1

Extracción

S, xS

ξ T

ξ R

COLUMNA CON DOS ALIMENTOS

H-y1

VM+N

∆D

h, H

QD

A, xA

Alimento

Destilado

D, xD

Condensador total


LD

ξ D

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

B

xB

∆T

h-x1

LD A

R

D

∆R

xR x

A x

D

x1, y

1

QR

A, xA

Residuo

R, xR

Caldera

1

Alimento

B, xB

ξ R

ξ T

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