Operación de Destilación

Transcripción

1 Introducción a los procesos de separación

2 Operación de Destilación

3 Generalidades Fases: Líquido-Vapor No. Componentes: 2 (ó mas si multicomponentes) Métodos de Cálculo: - McCabe-Thiele - Ponchon y Savarit - Sorel Variables de Operación: - No. Plato de alimentación ió - Reflujo óptimo - Reflujo de operación Aplicación en la Industria

4 Fases La destilación es una operación unitaria empleada para la separación de los componentes de una mezcla líquido - vapor. La separación se produce debido a la diferencia de volatilidad entre las sustancias de la mezcla, en el que el componente más volátil (destilado) sale por la cabeza, mientras que el menos volátil (residuo) sale en los fondos.

5 Número Componentes Según el número de componentes que contenga la mezcla entrante a la columna se distinguen: i Destilación binaria: la mezcla entrante a la columna está formada únicamente por dos compuestos. Destilación multicomponente: se realiza la separación de una mezcla compuesta por más de dos sustancias químicas. Otro tipo de destilación ió especial: Destilación azeotrópica: si la mezcla presenta un azeótropo no se puede separar por destilación simple, es necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica.

6 Equipo de Destilación Una columna de destilación está formada por una p carcasa cilíndrica, un condensador y un hervidor.

7 Descripción Columna El hervidor proporciona p la energía necesaria para llevar a cabo la separación. El condensador enfría el vapor para condensarlo y mejorar la eficiencia de la operacion. El acumulador almacena el vapor condensado para introducir una parte de éste de nuevo a la columna como reflujo. Se debe destacar la importancia i del reflujo en una ya que si no resultaría imposible conseguir una concentración en el destilado mayor que en la alimentación.

8 El reflujo mínimo se refiere a la cantidad mínima necesaria que se debe retornar a la columna para que se verifique la separación y un reflujo máximo para el cual todo el producto de cabeza o destilado d se recicla a la columna. Normalmente existe un reflujo óptimo para el cual la eficacia es máxima. La mayoría de columnas están diseñadas para trabajar con una relación entre el reflujo mínimo y el óptimo de 1,1 a 1,5. La alimentación se introduce en una de las etapas intermedias y a partir de ahí se divide la columna en una sección de enriquecimiento y en una sección de agotamiento.

9 Método de Cálculo Para conocer el número de platos de una columna se deben tener en cuenta las características ti de la alimentación: Sorel: Es un método analítico en el que se realizan balances de materia y energía plato a plato. Toma en cuenta que el calor es constante. Mc Cabe-Thiele: Consiste en un método gráfico y es el más extendido académicamente por su simplicidad. La adición de calor es constante, es mas simple pero menos exacto. Ponchon-Savarit: Es un método mas exacto ya que no toma en cuenta el calor como constante; t relaciona las entalpías con las composiciones.

10 Método Mc Cabe-Thiele

11 Método Poncho-Savarit

12 Otros Cálculos Para calcular el diámetro o la altura, hay que tener en cuenta si se trata de una columna de platos o una columna de relleno. Columnadeplatos:En la columna de platos la operación se lleva acabo enetapas. El plato proporciona una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato. Se debe evitar que ésta se inunde o se presente un arrastre excesivo. Columna de relleno: En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie decontactoentreellíquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de carga.

13 Aplicación - Plantas productoras de bebidas alcohólicas. - Plantas que procesan gas natural. - Obtención de aceites esenciales a partir de materias aromáticas.

14 Operación de Absorción

15 Generalidades Fases: Líquido-Gas No. Componentes: 3 (mas: multicomponentes) Métodos de Cálculo - Método analítico - Método gráfico (Mc Cabe-Thiele) Diseño/Elección Torre Variables de Operación: - No. Plato de alimentación ió - Eficiencia de platos - Altura de la torre Aplicación en la Industria

16 Fases La absorción de gases es una operación unitaria a que consiste en poner en contacto una mezcla gaseosa con un líquido (disolvente) para disolver selectivamente uno o más componentes. El soluto se transfiere del gas al líquido. La operación inversa se llama desorción, aquí el soluto pasa de la corriente líquida a la gaseosa. Es frecuente que los absorbedores b se encuentren acoplados con strippers para poder regenerar y recuperar el disolvente.

17 Equipo de Absorción El gas asciende como consecuencia de la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la columna. El contacto entre las dos fases produce la transferencia del soluto de la fase gaseosa a la fase líquida, debido a que el soluto presenta una mayor afinidad por el disolvente. Se busca que este contacto entre ambas corrientes sea el máximo posible, así como que el tiempo de residencia sea suficiente para que el soluto pueda pasar en su mayor parte de una fase a otra.

18 Los equipos más empleados son las columnas: - Torres de relleno o empacadas - Torres de etapas

19 Método de Cálculo Existen diversos procedimientos para calcular el número de etapas de una columna de absorción (o stripping): Método analítico: Útil para casos en que ya se especifica el número de etapas yloque se quiere conocer es la cantidad absorbida, o si existe más de un soluto en la corriente gaseosa. Se basa en una aplicación de la leyes de Raoult y de Henry. Método gráfico: Normalmente se suele emplear Método gráfico: Normalmente se suele emplear para obtener el número de etapas de equilibrio de una columna de absorción. (Mc

20 Método Mc Cabe-Thiele

21 Diseño/Elección Torre En general para diseñar o elegir un absorbedor se deben tener en cuenta los siguientes i factores: - velocidad, composición, temperatura, y presión del gas entrante alacolumna - grado de recuperación requerido para los solutos - elección del disolvente - presión y temperatura de operación de la columna - velocidad mínima del disolvente y la real - número de etapas de equilibrio - efectos del calor y las necesidades de enfriamiento - altura y diámetro del absorbedor

22 Aplicación - Separación de líquidos contenidos en gas natural. - Eliminación de gases tóxicos en los procesos. - Absorción del oxígeno del aire en procesos de fermentación. - Fabricación de ácido nítrico.

23 Operación de Extracción Líquido-Líquido q

24 Generalidades Fases: Líquido-Líquido q No. Componentes: 3 (mas: multicomponentes) Factores que afectan la operación Métodos de Cálculo - Método algebráico - Método gráfico (Hunter-Nash) Variables de Operación: - No. Plato de alimentación ió - Cantidad de disolvente - Concentración de componentes Aplicación en la Industria

25 Fases La extracción líquido-líquido es una operación que consisteenponer una mezcla líquida en contacto con un segundo líquido miscible, selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla. Se emplea en la refinación de aceites lubricantes y de disolventes, en la extracción de productos que contienen azufre y en la obtención de ceras parafínicas. El líquido que se emplea para extraer parte de la mezcla debe ser insoluble para los componente primordiales.

26 Equipo de Extracción Líquido-Líquido La extracción es, generalmente, un sistema ternario en el cual el soluto a extraer debe ser soluble en el disolvente. Al existir en contacto el disolvente y la mezcla se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto t yrefinado. Extracto: Corriente rica en disolvente. Refinado: Corriente rica en el líquido portador.

27 Los lodos y líquidos residuales acumulados en el fondo del decantador o de la torre son los residuos del proceso.

28 Razones por las cuales se utiliza el proceso de extracción 1. Los componentes presentan baja volatilidad. 2. Los componentes de la solución poseen la misma volatilidad. 3. Los componentes son sensibles la elevación de temperatura. 4. La cantidad del componente deseado es relativamente pequeña.

29 Factores que afectan la operación Los principales factores que afectan a la extracción son: - Composición de la alimentación, temperatura, presión y velocidad de flujo. - El grado deseado de separación - La elección del disolvente - La temperatura de operación - La presión - La formación de emulsiones y espumas

30 Método de Cálculo Para realizar el cálculo de las etapas necesarias se puede recurrir a diversos métodos: Métodos algebraicos: similares a los empleados en absorción, pero son útiles sólo cuando se trata de soluciones muy diluídas. Métodos gráficos: cuando es un sistema ternario, Métodos gráficos: cuando es un sistema ternario, el método más común a utilizar es el método de Mc Cabe-Thiele.

31 Método Hunter-Nash

32 Aplicación - Recuperación del cobre separaciones de metales. - Recuperación de ácido fosfórico, ácido bórico e hidróxido de sodio de soluciones acuosas. - Recuperación de compuestos aromáticos.

33 Operación de Extracción Líquido-Sólido ó Lixiviación

34 Generalidades Fases: Sólido-Líquido No. Componentes: 2 (ó mas si multicomponentes) Variables en la operación Métodos de Cálculo - Método algebráico - Método gráfico Variables de Operación: - Número de etapas - Eficiencia de etapas Aplicación en la Industria

35 Fases La extracción sólido-líquido líquido consiste en tratar un sólido que está formado por dos o más sustancias con disolvente que disuelve preferentemente uno de los dos sólidos, que recibe el nombre de soluto. La operación recibe también el nombre de lixiviación, más empleado al disolver y extraer sustancias inorgánicas i en la industria i minera. Otro nombre empleado es el de percolación, en este caso, la extracción se hace con disolvente caliente o a su punto de ebullición.

36 La operación de lixiviación se utiliza para separar el soluto deseado de un soluto indeseable de la fase sólida, ésta se pone en contacto con una fase líquida. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto se difunde a la fase líquida, lo que permite una separación de los componentes originales del sólido. El sólido debe estar finamente dividido para que el disolvente líquido pueda hacer contacto completo. Por lo general, el componente deseado es soluble, mientras que el resto del sólido insoluble.

37 Equipo de Extracción Líquido-Sólido ó Lixiviación

38 Variables en la operación - Tamaño de partícula: Cuanto más pequeño sea más será el área de contacto entre el sólido y el líquido estractor, favoreciendo la velocidad de transferencia de materia del sólido al disolvente. - disolvente: Debe de ser selectivo y baja viscosidad para facilitar su flujo a través del sólido. - La temperatura. - agitación: Incrementa la transferencia de materia desde la superficie de la partícula hacia la masa de la disolución.

39 Método de Cálculo Para realizar el cálculo de las etapas necesarias se puede recurrir al método algebráico.

40 Aplicación - Separación del azúcar a partir de la remolacha. - Extracción de aceites esenciales. - Se emplea para extraer minerales solubles en la industria minera. - En la industria alimentaria, farmacéutica y en la industria de esencias y perfumes

41 Operación de Humidificación

42 Generalidades Fases: Líquido (puro)-gas No. Componentes: 2 Carta Psicrométrica Métodos de Cálculo - Método algebráico Variables de Operación: - Número de etapas - Temperatura bulbo seco - Temperatura bulbo húmedo - % Saturación Aplicación en la Industria

43 Fases El contacto directo de un gas con un líquido puro tiene los siguientes fines: enfriamiento de un líquido, enfriamiento de un gas caliente, humidificación de un gas, deshumidificación de un gas y enfriamiento por evaporación. La aplicación principal es el enfriamiento de agua (fase líquido) por contacto con el aire atmosférico (fase gas).

44 Carta Psicrométrica

45 Método de Cálculo Para realizar el cálculo de las etapas necesarias se Para realizar el cálculo de las etapas necesarias se puede recurrir al método algebráico.

46 Aplicación - Esta operación es grandemente utilizada en la industria para disminuir la temperatura del agua recirculada, que utilizan los condensadores e intercambiadores de calor en plantas químicas, plantas de energía y unidades de aire acondicionado.

47 Operación de Evaporación

48 Generalidades Fases: Líquido-Gas No. Componentes: 2 Propiedades importantes de los líquidos a evaporar Variables de Operación: - Número de etapas - Capacidad - Economía - Altura de la torre Aplicación en la Industria

49 Fases La evaporación consiste en la separación de un solvente volátil de un soluto no volátil. Se debe proveer calor a la disolución para que llegue a su temperatura de ebullición y proporcionar el calor suficiente para que se evapore la disolución. Como medio de calentamiento se puede utilizar el vapor de agua, también pueden utilizarse gases de combustión. El producto final deseado es la disolución concentrada.

50 Equipo de Evaporación En la mayor parte de los evaporadores, el vapor pasa por el interior de tubos metálicos, la disolución pasa por el lado de coraza.

51 Propiedades imporantes de los líquidos a evaporar - Concentración del soluto: relacionado con la viscosidad. - Formación de espuma: puede causar pérdidas del líquido - Sensibilidad a la temperatura - Incrustaciones - Materiales de construcción

52 Aplicación - Esta operación es grandemente utilizada en la industria de producción de papel y pulpa, en el área de fertilizantes. -Industria farmacéutica y alimentaria.

53 Operación de Secado

54 Generalidades Fases: Sólido-Gas No. Componentes: 2 Curvas de Secado Variables de Operación: - Número de etapas - Porcentaje de humedad - Eficiencia - Determinar las curvas Aplicación en la Industria

55 Fases Esta operación unitaria tiene como objeto eliminar la humedad residual que contienen los productos sólidos, para hacerlos así más aceptables para su comercialización o su empleo posterior. Inclusose utiliza para separar los sólidos de una disolución por medio del secado por atomización. Dependiendo del proceso que se esté realizando y del producto que se desee, los residuos generados pueden ser sólidos o líquidos residuales en el caso del secado por atomización, o sólidos y lodos en el caso de otro tipo de secadores.

56 Equipo de Secado En el caso del secado de los sólidos, se utilizan generalmente secadores rotatorios por los cuales pasa a contracorriente aire caliente humidificándose y enfriándose a través del equipo. En los procesos por etapas, el equipo empleado es el secador de charolas; el material húmedo es colocado en bandejas o charolas de una cierta área, se le pasa aire caliente por encima con lo cual a un determinado tiempo el material es secado al grado deseado.

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58 Curvas de Secado - Humedad en función del tiempo

59 Curvas de Secado - Rapidez de secado en función del contenido Rapidez de secado en función del contenido de humedad.

60 Aplicación -Esta operación es grandemente utilizada en la industria de producción de papel y pulpa, en el área de fertilizantes. -Industria farmacéutica y alimentaria.