Otros métodos de separación de componentes de una solución:

Transcripción

1 Industrias II Destilación Filmina 1 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 50% A 50% B vapor Condensación Mezcla binaria 80% A 20% B A A Destilación B B líquido residual A Calor Principales aplicaciones B Mezcla binaria 35% A 65% B 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

2 Industrias II Destilación Filmina 2 Introducción teórica - Leyes de equilibrio (Soluciones líquidas binarias ideales A+ B) A= Componente + volátil Ley de Dalton P A = y A. P P B = ( 1 y A ). P Ley de Henry P A = H A. X A P B = H B. X B Ley de Raoult P A = X A. PvA(T) X A. PvA y A = P P B = X B. PvB X B. PvB yb = P Presión (T = cte) P. ext Psolución PvA pa pb Fracción molar XA 55 % A 45 % B 100 % A

3 Industrias II Destilación Filmina 3 Introducción teórica - Diagramas de sistemas binarios (Soluciones líquidas binarias ideales) Puntos de ebullición Temp. (P = cte) T3 T2 Vapor Punto de rocío T1 Punto de burbuja Líquido Fracción molar líquido 25 % A 75 % B solución 40 % A 60 % B vapor 65 % A 35 % B 100 % A Equilibrio de composición Temp (P = cte) y A fracción molar comp. A Diagrama de puntos de ebullición xa = fracción molar líquido Diagrama de equilibrio de composición

4 Industrias II Destilación Filmina 4 Introducción teórica - Otras soluciones (Soluciones líquidas binarias reales) Mezcla Benceno / Etanol Mezcla Cloroformo / Acetona Presión (T = cte) Presión (T = cte) fracción molar comp. A fracción molar comp. A Temp (P = cte) 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

5 Industrias II Destilación Filmina 5 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 α = 1 x = fracción molar líquido ES POSIBLE separar por destilación x = fracción molar líquido NO ES POSIBLE separar por destilación

6 Industrias II Destilación Filmina 6 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) F (alimentación) intercambiador de calor válvula separador columna de destilación Balance de masa F = D + W W (líquido) 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 Industrias II Destilación Filmina 7

7 Destilación continua. Contacto continuo del líquido y el vapor Para separar compuestos con puntos de ebullición próximos Múltiples etapas Qc F XF V Lo Xo L D xd 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 Industrias II Destilación Filmina 8

8 Rectificación. (PARTE SUPERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION) V1 y1 Qc D xd V2 y2 QL1 x1 Lo xo L2 x2 Vi yi Vn yn Vn+1 Yn+1 Li xi Ln xn 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

9 Industrias II Destilación Filmina 9 Entonces Lo= L1= L2=L3= =Ln V1 = V2 = V3= = Vn Como L/V = cte Resulta Recta de operación superior (ROS) yn+1 = L/V * xn + D/V * xd 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

10 Industrias II Destilación Filmina 10 Agotamiento. (PARTE INFERIOR DE LA COLUMNA DE DESTILACION) V 1 L o V 2 V 3 L 1 L 2 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

11 Y1=- W /V *Xw +L /V *Xo Industrias II Destilación Filmina 11 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

12 Industrias II Destilación Filmina 12 Balance para la alimentación V L T = temperatura del plato F ΔV t= temperatura de la alimentación V 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 Industrias II Destilación Filmina 13

13 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 0< q <1 Vapor saturado 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 Industrias II Destilación Filmina 14

14 q<1 q=1 q>1 q=0 q<0 y xw xf xd

15 Industrias II Destilación Filmina 15 RELACION DE REFLUJO MINIMO ECUACIÓN DE FENSKE-UNDERWOOD Para una mezcla binaria

16 Rm = 1/α * ( xd/xf - α * (1-xd)/ (1-xf) ) REFLUJO OPTIMO Mayor reflujo, mayor consumo de vapor costo Costo total 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