Destilación. Columna de destilación

Transcripción

1 estilació Columa de destilació

2 Plato Reboiler

3 estilació mezclas biarias a separació requiere Ua seguda fase debe ser formada tal que las fases de liquido vapor está presetes pueda estar e cotacto e cada etapa detro de la columa. os compoetes tega diferete volatilidad de maera que se reparta etre las dos fases de maera diferete as dos fase pueda separarse por gravedad u otro mecaismo os factores que iflue e el diseño aálisis de la destilació biaria so Composició, flujo, temperatura, fase presió de la alimetació Grado de separació deseado etre los compoetes Presió de operació, debe ser meor a la presió critica de la mezcla Caída de presió e la columa particularmete e las operacioes al vacío Míimo reflujo reflujo actual Míimo umero de etapas de equilibrio umero actual Tipo de codesador ( parcial o total) Tipo de reboiler Tipo de cotacto ( platos o empaques) iámetro altura de la columa Etapa de alimetació Si los compoetes se descompoe a la temperatura del reboiler es ecesario utilizar destilació al vacío Método McCabe-Thiele E geeral ua columa de destilació biaria cosiste de, Ua columa de etapas teóricas U codesador total para producir u reflujo U reboiler parcial para producir vapor Ua etapa para la alimetació. Esta cofiguració permita coseguir ua separació excepto e los casos dode ua azeotropo existe, dode uo de los producto este cerca de la cocetració del azeotropo. El objetivo de la destilació es alcazar u destilado rico e el compoete ligero u residuo rico e el compoete pesado vapor Secció de rectificació alimetació Secció de despojo estilació f Codesador total Taque reflujo Reflujo estilado Etapa alimetació vapor reboiler odo 3

4 Método McCabe-Thiele a alimetació cotiee u compoete mas volátil (el clave ligero, K) u compoete meos volátil (el clave pesado, HK). A la temperatura presió de la alimetació esta puede cosistir de u liquido, de ua mezcla liquido vapor o de u vapor.. a composició de la alimetació es dada por la fracció del compoete K Z. a composició del fodo es dada por la fracció del K X B, de cualquier forma la composició del destilado es dada por la fracció del K X. a dificultad e coseguir la separació es determiada por la volatilidad relativa,etre el K=, el HK=., = K / K Si los dos compoete forma ua solució ideal etoces la le de Raoult es aplicada : K i = P i s / P, = P s / P s estilació Secció rectificació (/) fracció molar K x Secció de despojo Úicamete fució de T f Codesador total Reflujo Reboiler odo estilado racció molar K racció molar K Cado T se icremeta, decrece hasta u puto dode es igual a la separació o es posible Método McCabe-Thiele : Curva Equilibrio Se puede escribir la volatilidad relativa e térmios de las fraccioes molares del K e ua mezcla biaria como sigue, = K / K = / x = / x / x ( )/ x ( ) = ( x ) ( ) x Cuado es aproximadamete costate e fució de la temperatura ( compoete co puto de ebullició cercao, se puede escribir:, x = + x, ( ) Para compoete que o tiee putos de ebullició cercao variara depediedo de la composició. a curva equilibrio será similar a la de fijo, pero o se puede fijar la composició e fució de Curva Equilibrio Icremeto de la olatilidad relativa 45 liea 45 lie x x 4

5 Método de McCabe-Thiele : Especificació Especificacioes z P R/R mi lujo molar total de la alimetació fracció molar de la alimetació Presió de operació de la columa (asuma cte) Codició de la alimetació Curva de Tipo de codesador (total o parcial) racció molar del destilado racció molar del fodo Relació de reflujo c/r al reflujo míimo Resultados lujo molar del destilado B lujo molar del fodo mi Míimo umero de etapas de equilibrio Rmi Míimo reflujo, mi/ R Reflujo / B /B umero de etapas de equilibrio Etapa optima de la alimetació Metodo McCabe-Thiele Method: Balace molar U balace masa e el compoete K alrededor de la columa da: z = + B U balace masa total alrededor de la columa da: Etoces = + B = z x B Si,, z, está especificados, etoces o puede ser calculados (/), z f Reflujo estilado, odo B, 5

6 Método McCabe-Thiele : Secció de rectificació a secció de rectificació comprede de la primera etapa hasta la etapa de alimetació Si hacemos u balace e el K a lo largo de las etapas de rectificació icluedo el codesador + + = x + Reflujo Arreglado se puede escribir (/) Z f, = x 0 + = x + x + + B Si so costates e la columa de etapa a etapa Etoces es ua líea recta = x+ x x + R 0, = x 0 Método de McCabe-Thiele: flujo molar costate + = x Reflujo Si so costates, etoces esto es ua líea recta. Esto requiere que H/ = h/ x a columa este bie aislada si perdidas de calor a presió de la columa sea uiforme (/) Z f, = x 0 Bottoms Todo esto coduce a codicioes de flujo molar costate Para estas codicioes la catidad de vapor trasferido al liquido es igual a la catidad de liquido trasferido al vapor e cada etapa. Esto es los flujos de vapor liquido so costates e ua secció etera. 6

7 McCabe-Thiele : íea de operació de la secció rectificació + = x Para el caso de flujo molar costate podemos escribir: Reflujo = x + Se defie esta ecuació como íea operació de la secció de rectificació (/) Z f, = x 0 E fució del reflujo R= / esta puede ser escrita = + = = / / + / = + = R + R R + Bottoms McCabe-Thiele : íea Operació Se puede reescribir : = x + como = R R + x + R + Si R X so especificados se puede graficar la líea: = x 0 f, x, + Co =0 =xd Curva equilibrio R m = = < R + = R + = x 45 lie íea de operació Secció de eriquecimieto (OE) x x 0 = 7

8 Método McCabe-Thiele : Secció de despojo a secció de despojo comprede desde la etapa de alimetació hasta el reboiler. Si hacemos u balace de materia e el compoete ligero alrededor de la secció de despojo. Icluedo el reboiler se tiee: x m = m+ + B Si el flujo molar es costate etoces = x B Se defie esta ecuació como líea de operació de la secció de despojo (O) (/) f Reflujo, = x 0 e: Etoces = + B = + B = B + B B es llamado reflujo del reboiler B = B x m m+ B = B + B x B Esta tambié es la líea de operació de la secció de despojo m+, B B, x B, Método McCabe-Thiele: Secció de despojo = B + B x B Si B X B so especificados se puede graficar la O x m m+ m+, B, x B, Curva equilibrio B = x B 45 lie = x Co =0 =xb B B x B + m = = íea de operació de la secció e despojo B 8

9 Cosideracioes de la alimetació iquido subefriado iquido pto ebullició Parcialmete aporizado < = = + > + = + = + Puto de rocío vapor apor sobrecaletado = = + < > + íea q q = f = Restado las dos líeas de operació: = x + ( )= ( )x + + B meos = x B Usado balace e el compoete K: ( )= ( )x + z + B = z Usado balace materia a lo largo de la etapa de alimetació: + + = + = + Simplificado usado la defiició de q: + ( )= ( )x + z q = x z q q x = z = z a líea q tiee ua m= q/(q-) e itersecta a x= e =z 9

10 íea q f q = q = x z q q a) iquido saturado q = m= b) apor saturado q = 0 m= 0 c) iquido subefriado Balace de eergía C ( T T ) = ( h H ) = pf c f f f c f Cpf ( Tc Tf ) = c f f f q= = f + f = q+ q= apor saturado H Tc liquido saturado h Tc liquido subefriado hf Tf Cpf ( Tc Tf ) q = + c íea q f q = q = x z q q d) apor sobrecaletado C ( T T ) = ( H h) = pf c f f f e f Cpf ( Tc Tf ) = f q = c apor sobrecaletado Hf Tf vapor saturado H Tc liquido saturado h Tc Cpf ( Tc Tf ) q = e 0

11 Cosideracioes de la alimetació q = f Pediete: q/ q- c b a a- líquido subefriado, q > b- líquido saturado, q = d e c- mezcla -, 0< q < d- vapor saturado, q = 0 e- vapor sobrecaletado, q < 0 X Cosideracioes de la alimetació Pediete: q/ q- c b a a- líquido subefriado, q > b- líquido saturado, q = d e c- mezcla -, 0< q< d- vapor saturado, q = e- vapor sobrecaletado, q < 0 X W X X

12 Método Mc. Cabe: Trazado e la zoa de despojo fracció mol de A e el vapor,, x - X- X- X - Y- Y Yr B, x b Y- Y - Yr R x b x X - X - fracció mol de A e el liquido, x Trazado e la zoa de erequecimieto: codesador parcial fracció mol de A e el vapor,, Y c Y Y Y, Xd Y Y X Y 3 3 X Y 3,x X X X fracció mol de A e el liquido, x

13 Trazado e la zoa de erequecimieto: codesador total fracció mol de A e el vapor, Y =Xd Y Y Y, Xd, X 3 Y 3 Y X Y 3 3 X Y 4,x X 3 X X X fracció mol de A e el liquido, x Método McCabe-Thiele fracció mol de A e el vapor, (, x ) = (/) x + (/) 3 (,x ) =( / )x bxb/ 5 4 líea de operació superior 6 líea de operació iferior x b fracció mol de A e el liquido, x 3

14 ocalizació de la alimetació McCabe-Thiele ocalizació de la alimetació e ua etapa mu baja (etapa 3) ocalizació de la alimetació e ua etapa mu alta ( etapa ) B 4 B 5 x=z x=z - Para u úmero determiado de etapas es co el que se logra la maor diferecia etre x.. Si o se especifica el úmero de etapas, es el que permite ua determiada separació co el meor úmero de etapas. ocalizació optima de la alimetació Curva equilibrio 3 4 B x=z 4

15 Relació de reflujo máxima: umero míimo de etapas = R R + x + R + = 0 = / = x b Cuado la columa trabaja a reflujo total. o ha alimetació, i salidas de destilado i de fodos durate la operació de la columa Relació de reflujo míima T máximo x W x Cuado la líea de operació de la zoa de eriquecimieto itersecta la curva de equilibrio se requiere ua catidad ifiita de etapas. 5

16 Miimo Reflujo o ideal B x=z Selecció de la relació de reflujo Coste aual Coste total Costes de fucioamieto Costes fijos R = A Rm A est etre...5 Míimo Optimo Relació de reflujo 6

17 Costrucció McCabe-Thiele. Curva. Etapa :Grafique curva equilibrio líea de 45 equilibrio 45 lie grados Etapa : Grafique las composicioes dadas (, B, ) Etapa 3: ibuje la líea q de 45 lie Etapa 4: etermie R mi de la itersecció de la x x=z OE la curva de equilibrio Etapa 5: etermie R de R/R mi Etapa 6: ibuje líea operació OR Etapa 7: ibuje la O ad x=z x=z x=z x=z R mi /(R mi +) R/(R+) etermiació de por McCabe-Thiele 3 Curva equilibrio Etapa :Grafique curva equilibrio líea de 45 grados Etapa : Grafique las composicioes dadas (, B, ) Etapa 3: ibuje la líea q de Etapa 4: etermie R mi de la itersecció de la OE la curva de equilibrio Etapa 5: etermie R de R/R mi Etapa 6: ibuje líea operació OR Etapa 7: ibuje la O B 4 Solució: Etapa : e localice x dibuje ua líea horizotal A la codició de equilibrio para la etapa. Etapa : Ecuetre dibujado ua líea vertical a O de la codició etre x. x=z Etapa 3: e dibuje ua liea horizotal a la codició equilibrio Para la etapa localice x. Etapa 4: Regrese a la etapa repita hasta que x i <z. ibuje ua liea vertical a la OR Etapa 5: termie despues de dibujar el umero de etapas o, cuado x i es meor que. 7

18 Eficiecia º E = de etapas e equilibrio º etapas reales E E M M Y = Y X = X * + + Y Y X X * Y*- Y- Y - Yr R x X - X - x b Ejemplo: etermiació de por McCabe-Thiele ado: 00 Kmol/hr de ua alimetació de 60% beceo 40% heptao es separada por destilació. El destilado tiee que ser 90% beceo el fodo 0% beceo. a alimetació etra a la columa como 30mol% vapor. Use R.5veces el míimo. Asuma volatilidad relativa de 4 que la presió es costate e la columa = atm Costrucció: Etapa : ibuje curva equilibrio líea 45 grados. a curva de equilibrio es dibujada usado : 0 x 0. = + x( ) x Etapa : ibuje las composicioes dadas (, B, ) Etapa 3: ibuje liea-q- de. Use q = = + = = 0.7 q = x z =.333x + q q Etapa 4: etermie R mi de la iterseccio de OR Y la curva de equilibrio. Esta pasa e ua pediete aproximadamete de = R mi R mi + R mi =

19 Ejemplo: etermiació de por McCabe-Thiele Etapa 5: e R mi =0.333 R=3R mi se tiee que R= Y la pediete de la recta de OR es 0.5 Etapa 6: ibuje la líea co pediete 0.5 la cual es la OR Etapa 7. ibuje la líea de operació de la composició del fodo, co la itersecció de la líea de rectificació q Resultados: Etapa alimetació 3. 5 etapas (míimas etapas = 3.) =0.05% beceo x Solució: Etapa : e localice x dibuje ua liea horizotal A la codició equilibrio para la etapa Etapa : Ecuetre dibujado ua líea vertical a la O e la codició del balace de masa etre x ad. Etapa 3:e dibuje ua líea horizotal a la codició equilibrio para la etapa para localizar x. Etapa 4: regrese a la etapa repita hasta x i <z