operaciones unitarias 1DESTILACIN DE MEZCLAS BINARIASoperaciones
unitarias 2OPERACIONES DE SEPARACINPOR ETAPAS DE EQUILIBRIO.CASO DE
DISOLUCIONES HOMOGNEAS SE REQUIERE GENERAR UNA SEGUNDA FASE:1) Por
medio de un agente energtico de separacin-Transferencia de calor
y/o trabajo-Generar una segunda fase aumentando la temperatura o
por reduccin de la presin2) Por medio de un agente material de
separacin -Parcialmente miscible con una o ms especies.-Totalmente
miscible con la mezcla pero altera selectivamente las
volatilidades. 3) Por medio de ambos. (AES y AMS )operaciones
unitarias 3- UN POTENCIAL DIFERENTE PARA CADA ESPECIE. CMO SE
MEJORA LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA? - MEZCLANDO NTIMAMENTE LAS
FASES. QUE SE REQUIERE PARA LOGRAR LA SEPARACIN ?Ejemplos:
VAPORIZACIN FLASH, CONDENSACIN PARCIAL, DESTILACIN, DESTILACIN
EXTRACTIVA, ABSORCIN,EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO.operaciones unitarias
4NATURALEZA DEL LQUIDO Y DEL VAPORGases y vapores Efecto de T y P .
Recipientes abiertos y cerrados Evaporacin y condensacinEbullicin.-
Tb = F(P)Mezclas Efectos de T, Py composicin de las fases.
Tendencia de escape.Equilibrio. Vaporizacin ycondensacin
parcial5Tensin de Vapor de una Sustancia Puray Diagrama de Fases de
una MezclaP PPCLquidoPCLquidoPB PRP1P1Vapor V+LVaporT1T TLSTVSTPc=
225kg/cm2Tc= 374CdP/dT = r / T.VTV = C + 2 - Foperaciones
unitarias6Diagrama Concentracin -temperaturaPo = 1 atmSiM = L+VMz =
Lx + VyV/M = (z-x) / (y-x)= ML / LVoperaciones unitarias7Diagramas
Concentracin -temperaturaoperaciones unitarias8DiagramaConcentracin
-Concentracinoperaciones unitarias9Diagramas C-C tipos 1 - 2 - 3
Curva tipo 1tipo3 tipo 210Diagramas C CyC Trelacionadosoperaciones
unitarias11DFoperaciones unitarias12Diagramas T&C y Flash
asociadasoperaciones unitarias13Diagramas P-TyFlash
asociadosoperaciones unitarias14Diagramas P -TyC -T
asociadosoperaciones unitariasF, zfD, yDT, PW, xWT, PDestilacin
instantneaoperaciones unitarias16Diagramas T&C y Flash
asociadasoperaciones unitariasDESTILACIN INSTANTNEA DE
EQUILIBRIOFxFHFSalida gases deCombustinVapor al condensadorD =
F.fYD, HDLquido defondoW = F . ( 1 f ) XW, HWQuemador q[Kcal /
h]TORRE FLASHALAMBIQUE Por B.Global: F = D + W= F f + F ( 1 f )
[1]P/el ms volatil: F xF= F f yD+ F ( 1 f )xW= D yD+
WxW[2]operaciones unitariasDESTILACIN INSTANTNEA DE EQUILIBRIO
(2)Por balance de energa:F(HF+ q) = F f HD+ F (1 f ) HW =D HD+
WHW[3]Combinando las ecuaciones 1 y 2 obtenemos la relacin residuo
alimentacin :W ( YD XF) W YD- XF--- = ------------- = [ 4 ]D ( XF-
XW) D XW- XFoperaciones unitariasW [ HD ( HF+ q/F ) ] W HD ( HF+
q/F )D [ HF- HW+ q/F ] D HW ( HF+ qF )[5 ]De la ecuacin 3F. ( 1 f )
W YD- XFHD - (HF +Q/F)- = - == [6]F . fD XW - XF HW - (HF
+Q/F)Combinando[4] y [5] Obtenemos:operaciones unitariasNo tenemos
YDni XWestos se determinan de la curva deequilibrio a partir de XFy
de f (que depende de la carga trmicade la alimentacin). De la
ecuacin 2 se despeja yDy=- (1-f) x+xFf fEsta es un a recta que pasa
por el punto xFy corta a la recta a 45 en el diagrama de
equilibrio. La pendiente est dada por -(1-f)/f. Lainterseccin con
la curva de equilibrio proporciona yDy xWRepresentacin grfica de la
curva de equilibrio flashxWxyxFyDf = 0Lnea de
alimentacinoperaciones unitariasf = 0,25f = 1f = 0,5f =
0,75operaciones unitarias 21Volatilidadva= pa/xaVolatilidad
relativa ab= va/vb= (paxb)/(pbxa)La eleccin del orden de los
compontes se hace de forma que absea mayorque 1. Apartir de la
definicin de la presin parcial podemos escribirab= va/vb=
(yaxb)/(ybxa)Si consideramos que para un sistema binario la fraccin
del componente msliviano se designar y en la fase vapor y x en la
fase lquida. La fraccin delcomponente ms pesado se indican como
(1-y) y (1-x) en la fase vapor y en lafase lquida. En base a esto
se puede escribirab= (1-x) y/ x(1-y) de donde y esy = abx / [(1 +
(ab- 1)x]Si las fases lquida y vapor no tienen un comportamiento
ideal se pueden usarrelaciones termodinmicas. Si no se usa la
relacin K = y/x para cadacomponente y se construye la curva de
equilibrio.operaciones unitarias 22Destilacin continua de una
etapaSabemos que: Lquidos livianos: Lquidos pesados: Consideremos
una mezcla de dos compuestos de diferentevolatilidad Descripcin del
proceso. Fases.Distribucin diferencial Efectos de la T y P. Calidad
de los productos. Proceso continuo sin acumulacinMolculas
pequeas.Vaporizan fcilmente. Alta volatilidad.Molculas
grandes.Dificil vaporizacin.Baja volatilidad.operaciones unitarias
23Variacin de las concentraciones con el tiemponA= xndnA= d(xn) =
ndx +x dnndx * xdn = y dnReordenandodn/n = dx/(y-x) dn/n = dx/(y-x)
ln n1/n0Ec. Raileig. Se integra numricamenteUna alternativa cuando
los puntos de ebullicin no son muy diferentes esla volatilidad
relativa (que es una relacin de presiones) no vara muchoyA/yB= AB
xA/xB[dnA/dn]/[dnB/dn] = dnA/dnB= ABnA/nBreordenandodnA/nA=
ABdnB/nBln (nA/n0A) = ABln (nB/n0B)nB/noB= [nA/n0A] exp (1/
AB)operaciones unitarias 24Alambiqueoperaciones unitarias
25Destilacin Continua de Etapas Mltiples.Cmo obtenerproductos de
alta pureza ( > 99.9 %)..Columnas de destilacin . Partes:- Una
columna de platos - Un condensador - Un reboiler - Un acumulador de
reflujoTorre de fraccionamientooperaciones unitariasTorre ( flujos
de vapor y de lquido)operaciones unitariasAccesorios internos de
una columna de destilacin1. Columnas de platos Platos Distribuidor
del alimento2. Columnas empacadas Empaque Platos soporte para el
empaque Distribuidor del alimento Colectores y redistribuidores de
lquidooperaciones unitariasTerminologa de una Columna de
DestilacinComponentes InternosLos trminos Bandejas y Platos se
utilizan alternativamenteHay muchos tipos de diseos de la bandeja,
pero los ms comunes son: La bandeja de casquillo de burbujeo Las
bandejas de vlvulas Las bandejas de tamiz Una bandeja del casquillo
de burbuja tiene lacanalizacin vertical o la chimenea ubicadasobre
cada agujero, y un casquillo que cubre lacanalizacin vertical. Se
monta el casquillo demodo que haya un espacio entre la
canalizacinvertical y el casquillo para permitir el paso
delvapor.El vapor se eleva a travs de la chimenea y esdirigido
hacia abajo por el casquillo, finalmentedescargando a travs de
ranuras en el casquillo,y finalmente burbujeando a travs del lquido
enla bandeja. En bandejas de vlvula, las perforaciones son
cubiertas por los casquillos elevables. El vapor fluye por las
elevaciones de los casquillos, creando un rea del flujo para el
paso del vapor. El casquillo de elevacin ordena al vapor para fluir
horizontalmente en el lquido, proporcionando as mejor mezcla que en
bandejas de tamiz. Bandejas de Tamiz Las bandejas del tamiz son
simplemente placas del metal con los agujeros en ellos. El vapor
pasa derecho hacia arriba a travs del lquido en la placa. El
arreglo, el nmero y el tamao de los agujeros son parmetros de
diseo.Flujos de Lquido y Vapor enColumnas de PlatosUn vertedero en
la bandeja asegura de que haya siempre algn lquido en la bandeja y
est diseado tal que la interrupcin est en una altura conveniente,
e.g. tal que los casquillos de burbujeo son cubiertos por el
lquido.Diseo de Bandejas Cada bandeja acta como una mini
columnaCuanto ms bandejas hay, mejor es el grado de la separacin
Estn diseadas para maximizar el contacto vapor lquido considerando
La distribucin del lquidoLa Distribucin del vapor en el plato o
bandejaEsto es porque un contacto mejor del vapor-lquido significa
una separacin mejor en cada bandeja.Menos bandejas sern requeridas
para alcanzar el mismo grado de la separacin. PackingsHay una
tendencia clara de mejorar separaciones supliendo el uso de
bandejas mediante las adiciones de packings. Packings son
dispositivos pasivos que se disean para aumentar el rea interfacial
para el contacto del vapor-lquido. Estas piezas de forma extraa se
ponen para impartir el buen contacto del vapor-lquido cuando un
tipo particular de ellos se pone junto en cantidad, sin causar una
cada de presin excesiva a travs de una seccin embalada. Esto es
importante porque la cada de presin excesiva significara que ms
energa ser requerida para conducir el vapor encima de la columna de
la destilacin. PackingsPackings - VentajasColumnas con bandejas que
presentan problemas de rendimiento pueden reemplazarse con empaques
Los packings proporcionan el rea interfacial adicional para la
eficacia del contacto del lquido-vapor con lo que la separacin se
aumenta.- Se aumenta la eficiencia de separacin para Alturas de las
columnas empacadas ms cortas.-Equipos exteriores de una columna de
destilacin1. Rehervidor, ebullidor o caldernIntercambiador de calor
que proporciona la energa a lacolumna para mantener las corrientes
de lquido y vapor enestado de saturacin.CLASES DE REHERVIDORES SEGN
EL INTERCAMBIA-DOR USADO Y LA LOCALIZACIN EN LA COLUMNA Chaquetas
de calentamiento en la parte inferior de la columna Intercambiador
tubular interno en el fondo de la columna Intercambiador tubular
externo* Cuando se va a destilar una mezcla acuosa, donde el agua
esel componente pesado, se usa vapor vivo para
elcalentamiento.operaciones unitariasClases de rehervidores segn el
funcionamientoa) Rehervidor parcial b) Rehervidor totalVapor de
calentamientoVapor de calentamientoLNWVN+1WLNVN+1operaciones
unitariasoperaciones unitarias41Hervidor de fondo2.
CondensadorIntercambiador tubular que condensa el vapor que llega
ala parte superior de la columna. El vapor
condensadoretornaalacolumnacomoreflujoylodemsseretiracomo
destilado.Clases de condensadores segn el funcionamientoAgua de
enfriamien-toV1LoDV1LoDAgua de enfriamien-toa) Condensador parcial
b) Condensador totaloperaciones unitariasoperaciones unitarias
43Condensador 3. Acumulador de reflujoTanque que recibe la
corriente proveniente delcondensador. El acumulador permite una
holguraoperacional que puede mantener en funcionamiento lacolumna
cuando se presentan problemas con elcondensador.* Existen columnas
complejas donde se presentaalimentacin mltiple, varias salidas
laterales deproductos, y donde pueden haber condensadores
yrehervidores intermedios a lo largo del equipo.operaciones
unitariasoperaciones unitarias 45Torre 1operaciones unitarias
46Torre 2operaciones unitariasoperaciones unitarias 47Control de la
columnaLPGPROPILENOPROPANOLIVIANOSPROPILENO +
PROPANOVAPORCARRIER1994711DESETANIZADORA C3 SPLITTERTREN DE
DESTILACINoperaciones unitariasF, zFV1, y1V2, y2V3, y3L1, x1L2,
x2L3, x3. . . D, yD1. . . W, xW1La destilacin fraccionada vista
como destilaciones instantneas en serieoperaciones
unitariasLn-1Tn-1, Pn-1LnTn, PnVn+1Tn+1, Pn+1VnTn, PnEtapa nTn,
PnEtapa de equilibrio en una columna de destilacinoperaciones
unitarias54Funcionamiento del plato idealPo = 1 atmoperaciones
unitariasyn+1ynxn+1xnx,y TEsquema general de una columna de
destilacinDestilado (D)Reflujo (Lo)Alimentacin (F)Residuo
(W)Acumulador de ReflujoCondensadorRehervidorV LZona de
enriquecimiento o rectificacinZona de empobrecimiento o
despojamientoDeterminacin de las cargas trmicas en el condensador
yen el rehervidor - Balances de materia y entalpaD, yD, HDLoxoHLoF,
zF, HFW, xW, HWCondensadorRehervidorV1, y1, HV1QDQWQPoperaciones
unitariasoperaciones unitarias 57Temperatura y Presin destilacin
continua Presin y punto de ebullicin. Productos Termosensibles
Destilacin al vaco. Dispositivos de proteccin de la columna por
presin. Presin normal y presin de aliviooperaciones unitarias
58Temperatura Composicin de un producto y Tb.Valores normales.
Significado delos cambios de temperatura. Implicancias delTentre
cabeza y fondo. Implicancias de> Q en el Reboiler : Aumento de T
entodos los platos. Mayor caudal de destilado. Mas pesados por
cabeza. Implicancias de>reflujo: Baja la temperatura de todos
los platos. Aumenta el caudal de producto de fondo. Mejora la
calidad del producto de cabeza. El producto de fondo tendr mas
livianos.17/08/2011 operaciones unitarias 59Presin Una vez
determinada para la operacin normal no se cambia. Todo cambio en la
presin afecta la calidad de los productos Debe mantenerse un
control riguroso de la misma.Regmenes de Flujo. Se deben mantener
bajo riguroso control. Toda alteracin determina cambios en la
composicin de los productos y en las variables de la torre. Al
cambiar el flujo de carga hacia la torre, se cambia la temperatura
de cabeza. La carga es una fuente de energa negativaoperaciones
unitarias 60Balance de materiales En operacin normal no hay
acumulacin. El material que entra como carga sale como producto de
cabeza y de fondo. todos loscomponentes de la alimentacin estan
sujetos al principio de conservacinElementos de control Control
automtico de los procesos de destilacin Ejemplo de control- caso
del flotante.Variable controlada y variable de control. Esquema
tpico de control de una columna.Parmetros importantes que definen
el grado deseparacin de una mezcla en una columna dedestilacin1.
Relacin de reflujo externa, R = Lo / D2. Relacin de reflujo
interna, L / V3. Nmero de etapas tericas o unidades de
transferenciaMtodos simples para calcular parmetros de separacinen
sistemas binarios1. Mtodo de Sorel2. Mtodo de McCabe -
Thieleoperaciones unitariasDatos: P, F, yD, xB, R/D,
Condensador.Objetivo: Determinar N de etapas.Balance de M : LR+ V2=
L1+ V1Balance de E : LRhR+ V2H2= L1h1+ V1H1Variables desconocidas :
L1, V2, H2Se asume : H2= H1y sacamos V2y L1Verificacin :LR xR+ V2
y2=L1x1+ V1y1y2 = (L1/ V2) x1+ (V1y1- LR xR)/ V2Conocidas
composicinyT2H2 Serepite el clculo hasta el Plato de la carga.MTODO
DE SORELoperaciones unitarias(V1y1- LR xR) = DMTODO DE SOREL_2 El
punto ptimo coincidircon el de una corriente interna de igual
composicin. La contribucin de la alimentacin debe tenerse en cuenta
en los balances . En la parte inferior la frmula incluir un trmino
relativo a la alimentacin. Los clculos continan hasta encontraruna
corriente de vapores que est en equilibrio con el producto de
fondo.operaciones unitariasMtodo de McCabe - ThieleRestriccin para
su aplicacinPrdidas de calor o calores de disolucin
pequeosSuposiciones simplificadoras usuales- El flujo molar lquido
es constante en cada una de las zonas de la columna- La relacin L /
V es constante para cada una de las zonasCasos de aplicacinSistemas
de ismeros con puntos de ebullicin cercanos operaciones
unitariasDesarrollo del mtodo de McCabe - ThieleZona de
enriquecimiento (condensador total)D, yDLo, x012nV1, y1L1, x1L2,
x2Ln, xnV2, y2Vn, ynVn+1, yn+1Lo = L1= L2= ...= LV1= V2= V3= ...=
VBalance global de materiaV = L + D (1)Balance del componente ms
livianoyn+1V = xnL + yDD(2)Relacin de reflujoR = Lo / D
(3)operaciones unitariasA partir de las dos primeras ecuaciones
anteriores se obtiene:yn+1 = (L / V) xn+ (D / V) yD(4)Y
considerando la relacin de reflujo:yn+1 = R / (R+1) xn+ 1 / (R+1)
yD(5)Evaluando n = 0 y calculando el intercepto para una relacinde
reflujo conocida, se tienen dos puntos que permitenconstruir la
lnea de operacin para la zona deenriquecimiento. La pendiente de la
lnea de operacin es L /V (relacin de reflujo interno)operaciones
unitariasx0xyyD / (R+1)Pendiente = L / VRepresentacin grfica de la
zona de enriquecimientooperaciones unitariasZona de despojamiento
(rehervidor parcial)LN = LN-1 = LN-2= ...= LVN = VN-1 = VN-2= ...=
VBalance global de materiaL = V + W (6)Balance del componente ms
livianoxN-3L = yN-2V + xW W(7)W, xWLN-3, xN-3N-2N-1NVN-2, yN-2LN-2,
xN-2LN-1, xN-1LN, xNVN-1, yN-1VN, yNVN+1, yN+1operaciones
unitariasA partir de las ecuaciones (6) y (7) se obtiene:yN-2 = (L
/ V) xN-3 - (W / V) xW(8)Evaluando en N+1 (rehervidor) se tiene que
xWest enequilibrio con yN+1 y por medio de la grfica de equilibrio
sepuedellegar axNyas tener unpuntosobrelalneadeoperacin de la zona
de despojamiento.Ahora si podemos construir la lnea de operacin de
la zonade despojamiento ?operaciones
unitariasxWxyyN+1x0?operaciones unitariasEstado termodinmico de la
alimentacinLHL,f-1VHV,fLHL,fVHV,f+1FHfBalance global de materiaF +
L + V = L + V (8)Balance global de entalpaF HF+ L HL, f-1+ V
HV,f+1= L HL, f+ V HV, fConsiderando que las entalpas de losvapores
saturados son similares, eigualmente las de los lquidos saturados,
eneste plato de alimentacin, se tiene:F HF+ HL(L - L) = HV(V - V)
(9)Combinando (8) y (9):(L - L) / F = (Hv- HF) / (HV- HL) = q
(10)operaciones unitariasConociendo elvalor de q se halla L(ec. 10)
ycon este dato se calcula V (ec. 6), y ya se puedecalcular
elintercepto o la pendiente de la lneade operacin para la zona de
despojamiento.ActividadDeterminar la ecuacin de la lnea
dealimentacin:y = (q / (q-1))x - xF / (q-1)operaciones
unitariasPosibles estados termodinmicos del alimento1. Lquido
subenfriado q 1.02. Lquido saturado q = 1.03. Parcialmente
vaporizado 0 < q < 1.04. Vapor saturado q = 05. Vapor
sobrecalentado q < 0operaciones unitariasoperaciones
unitariasEfecto de la alimentacin en el plato de cargaVFLVFL
VFLVFLVFLLquido frioLiquido saturadoLquido parcialmente
vaporizadoVapor saturado Vapor sobrecalentadoRepresentacin grfica
de la zona de despojamientoxWxyyN+1x0zFRehervidor1234Lnea de
despojamientoLnea de enriquecimientoLnea de alimentacinEl nmero de
etapas tericas es un conceptooperaciones unitariasLocalizacin ptima
del plato de alimentacin1. Para un nmero determinado de etapas es
con el que se logra la mayor diferencia entre yDy xW.2. Si no se
especifican el nmero de etapas, es el que permite una determinada
separacin con el menor nmero de etapas.Nmero mnimo de etapasCuando
la columna trabaja a reflujo total. No hay alimentacin, ni salidas
de destilado ni de fondos durante la operacin de la columna.Reflujo
mnimoCuando la lnea de operacin de la zona de enriquecimiento
intersecta la curva de equilibrio y se requiere una cantidad
infinita de etapas.operaciones unitariasxWxyx0Nmero mnimo de
etapasoperaciones unitariasReflujo mnimoxWxyx0Relacin ptima de
reflujoRm RCostos totalesCostos operacionalesCostos fijosR = A RmA
est entre 1.1. Y 1.5operaciones unitariasEficiencia de las
etapasEficiencia Global n de platos ideales/n de platos
realesEficiencia de plato de Murphree para la fase de vapor:= (yn
yn+1) / (yn* - yn+1)Eficiencia local= (yn yn+1) / (yen
yn+1)operaciones unitariasRelacin entre la eficiencia de Murphree y
local NPe = Zi2/(DEtL)17/08/2011 operaciones unitarias 81Uso de la
eficiencia de Murphree En el grfico de McCabe-Tieleye = y +
M(ye-y)17/08/2011 operaciones unitarias 82Carga trmica del
condensadorAgua de enfriamien-toV1LoDV1LoDAgua de enfriamien-toa)
Condensador parcial b) Condensador totaloperaciones unitariasSea R
= Lo / D (relacin de reflujo externa)*Carga trmica del
condensadorBalance de materia totalV1= Lo + Des decir,V1= D (R +
1)Balance de entalpa totalV1HV1= Lo HLo+ D HD+ QDes decir,QD= D (
(R + 1) HV1- R Lo - HD)Clases de rehervidores segn el
funcionamientoa) Rehervidor parcial b) Rehervidor totalVapor de
calentamientoVapor de calentamientoLNWVN+1WLNVN+1operaciones
unitariasCarga trmica del rehervidorBalance de materia global (toda
la columna)F = D + WBalance de entalpa global (toda la columna)F
HF+ QW= D HD+ W HW+ QD+ QPes decir,QW= D (HD- HF) + W (HW- HF) +
QD+ QP operaciones unitarias
