791O1 ¿Aplicamos correctamente el método de McCabe

¿Aplicamos correctamente el método de
McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre “qué” y “cómo” explicamos
A. Marcilla, J.A. Reyes-Labarta y M.D. Serrano
Departamento de Ingeniería Química
Instituto de Ingeniería de los Procesos Químicos
Universidad de Alicante
(http://iq.ua.es/gcef.htm)
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
1
¿Aplicamos correctamente el método de McCabeThiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre que y como explicamos
Motivación
••Objetivo
Objetivo
9 Crear un debate sobre “qué” y “cómo” explicamos:
9 Fomentando la capacidad de análisis y autoaprendizaje
9 Evitando que los métodos de cálculo sean “recetas” o “cajas
negras” sin interacción dónde únicamente se introducen unos datos
y se obtienen unos resultados
••Ejemplo:
Ejemplo:Cálculo
Cálculode
decolumnas
columnasde
derectificación
rectificación
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¿Aplicamos correctamente el método de McCabeThiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre que y como explicamos
••Cálculo
Cálculode
decolumnas
columnasde
derectificación
rectificación
9 Análisis Grados de Libertad
9 Métodos de Simulación vs. Diseño
••Primera
Primeradisyuntiva
disyuntiva
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
3
Diseño de Operaciones de Separación
••Primera
Primeradisyuntiva
disyuntiva
A) Simuladores comerciales (Hysys, Aspen, ChemCad, etc.)
Vapor (A.T.)
7
13
10 Vapor (0)
Vapor (A.T.)
7
6
5
F. acuosa
4
5
6
9 F. orgánica
Benceno puro
15
11
agua-etanol
12
1
2
Az. Bin.
8
3
1
Az. Bin. 2
14
4
AGUA
3
8 ETANOL
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Son las herramientas actuales para tanto
para el diseño, como la simulación y
optimización de procesos, especialmente
en sistemas multicomponentes
4
Diseño de Operaciones
de Separación
H/h
••Primera
Primeradisyuntiva
disyuntiva
B) Métodos de diseño tradicionales
(McCabe-Thiele,
Ponchon-Savarit,
Sorel, Sorel-Lewis, etc.)
∆1
R
V1,1
A
FP
D
y
∆2
y
xR
zA
x
xD
c2 =xR
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xA1 zA1
y, x
c1 =xD
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Diseño de Operaciones
de Separación
••Primera
Primeradisyuntiva
disyuntiva
B) Métodos de diseño tradicionales
para sistemas binarios (McCabe-Thiele,
Ponchon-Savarit, Sorel, Sorel-Lewis,
etc.)
Permiten, para una separación dada:
9 Calcular el número óptimo de pisos
y
9 Determinar situaciones especiales:
9 Reflujo mínimo
9 Excesivo reflujo o vapor en la caldera
9 Alimentos en ubicaciones no adecuadas
xR
zA
x
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xD
9 Necesidad de intercondensadores o
intercalderas
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Diseño de Operaciones de Separación
Bibliografía tradicional
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
McCabe, W.L.; Thiele, W.E. Graphical design of fractional columns, Ind. Eng.
Chem. 1925, 17, 605.
Seader JD, Henley E.J., Roper D.K. Separations Process Principle. Chemical
and Biochemical Operations. New York:John Willey & Sons, 3th ed. 2011.
Petlyuk, F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of
Separations Units. Cambridge Series in Chemical Engineering. 2004.
Stichmair JG, Fair JR. Distillation: Principles and Practice. New York:WilleyVCH, 1998.
Biegler, L.T.; Grossmann, i.E.; Westerberg, A.W. Systematic Methods of
Chemical Process Design. New Jersey: Prentice Hall, 1997.
McCabe W.L.; Smith J.C.; Harriot, P. Unit Operations of Chemical
Engineering. New York: McGraw-Hill; 5th ed. 1993.
Kister, H.Z. Distillation Design. New York: McGraw-Hill; 1992.
King, C.J. Chemical Engineering Series. Separation Processes. New York:
McGraw-Hill; 1980.
Treybal, R.E. Mass Transfer Operations, Chemical Engineering Series.
McGraw Hill: New York, 3th ed. 1981.
Doherty M.F., Malone M.F. Conceptual design of distillation systems. New
York: McGraw-Hill; 2001.
…
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Diseño de Operaciones de Separación
Bibliografía tradicional
LIMITACIONES
A) Generalmente
sólo
se
consideran
convencionales con una única alimentación
columnas
B) El cambio de sector no se considera con detalle
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A) Columna de rectificació
rectificación convencional
y
LD
n=1
Alimento
A, ZA,i, qA
Destilado
...
...
yA
FP
n=N
Residuo
Re cta q ( FP) : y =
− qA
zA
⋅x +
(1 − q A )
(1 − q A )
xA
xR
zA
x
xD
[**] 9
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A) Columna de rectificació
rectificación convencional
L0
y
LD
n=1
Alimento
A, ZA,i, qA
Destilado
...
...
yA
L’1
L1
L2
V’1
xOpt
V1
V2
V3
n=N
Residuo
ROA : y2 =
L1
D ⋅ xD − VA ⋅ y A
⋅ x1 +
L1 + D − VA
L1 + D − VA
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xR
xA
zA
x
xD
[**]10
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A) Columna de rectificació
rectificación convencional: diferentes estados té
térmicos del alimento qA
1
1
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
q A( líquido subenfriado ) =
q A( vapor
sobrecalentado )
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
H A − [h A + C PL ·(TA − Tburbuja )]
λA
=
0.3
= 1+
H A − [H A + C PV ·(TA − Trocío )]
λA
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0.4
=
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
C PL ·(Tburbuja − TA )
λA
− C PV ·(TA − Trocío )
>1
<0
λA
[**]
11
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
A) Columna de rectificació
rectificación convencional: diferentes estados té
térmicos del alimento qA
1
1
0.9
0.9
Classical approach (FP)
0%
Alternative approach (FOL)
0.8
Liquid molar fraction
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.7
0%
0.6
0.5
0%
0.4
0.3
-23 %
0.2
-112 %
0.2
0.1
-180 %
0.1
0
a)
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
0.7
0.8
0.9
1.0
b)
1
2
3
T ray
4
5
6
[**]
12
Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
B) Columna de rectificació
rectificación generalizada
L 1, 0+ D
L 1, 0+ D
L 1, 0+ D
QD
L 1, 0
QD
QD
L 1, 0
D
1
L 1, 0
D
D
1
1
A1
P1
2
2
A1
A2
A2
3
L 1, 0+ D
2
3
QR
QD
QR
R
R
W
L 1, 0
R
D
1
Q E1 (yQE1)
2
A 2 (zA=xA)
3
QA3 (xQA3)
4
QR
R
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
C) Corrientes laterales de calor (P.ej
(P.ej.. intercondensador)
intercondensador)
L 1, 0+ D
y
QD
L 1, 0
¿aplicado a un vapor de yQE1?
1
D
D
yQE1
1
Q E1
2
2
A2
3
3
QR
R
xR
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
zA2
x
xD
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
C) Corrientes laterales de calor (P.ej
(P.ej.. intercondensador)
intercondensador)
L 1, 0+ D
y
QD
L 1, 0
¿aplicado a un vapor de yQE1?
1
D
D
yQE1
1
Q E1
2
2
A2
3
3
QR
R
xR
zA2
xD
x
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
C) Corrientes laterales de calor (P.ej
(P.ej.. intercondensador)
intercondensador)
L 1, 0+ D
y
QD
L 1, 0
¿aplicado a un vapor de yQE1?
1
D
D
yQE1
1
Q E1
2
2
A2
3
3
QR
R
xR
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
zA2
x
xD
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Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele
¡aplicado a un vapor de y = zQE1!
C) Corrientes laterales de calor (P.ej
(P.ej.. intercondensador)
intercondensador)
L 1, 0+ D
y
QD
L 1, 0
D
x1,NP1
1
y1,0 =y2,1
D
yQE1
1
y1,0 como líquido
Q E1
2
2
L2,0 =L1,NP1 +V1,0 como líquido
A2
3
3
QR
L 1,NP
V1,0
R
1
QE1
xR
L 2,0
V2,1
zA2
yQE1
xD
[**]
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¿Aplicamos correctamente el método de McCabeThiele o Ponchon-Savarit?
Una reflexión sobre qué y cómo explicamos
••Conclusiones
Conclusiones
9 La utilización y análisis de los métodos clásicos, aunque
aproximados y/o limitados, puede ayudarnos a mejorar el
entendimiento de las operaciones de separación
9 Aunque sean métodos simplificados no hace falta explicarlos de
forma simplificada
9 Su aplicación a casos más complejos nos puede proporcionar
material de trabajo para las tutorías grupales, etc.
y
1
D
y
yQE1
yA
xOpt
2
3
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xR
xA
zA
x
xD
xR
zA2
x
xD
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Información adicional
• Marcilla, A.; et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE
RECTIFICACIÓN: McCABE–THIELE. Página web de autoaprendizaje
(Dpto. de Ingeniería Química-UA): http://iq.ua.es/McCabe-V2/
• Marcilla, A. et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE
RECTIFICACIÓN:
PONCHON–SAVARIT.
Página
web
de
autoaprendizaje
(Dpto.
de
Ingeniería
Química-UA):
http://iq.ua.es/Ponchon/
•Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. ANALYSIS OF THE ZONE CONNECTING
CONSECUTIVE SECTORS IN DISTILLATION COLUMNS BY THE PONCHON-SAVARIT
METHOD. 12th Mediterranean Congress of Chemical Engineering. EXPOQUIMIA’11
(http://hdl.handle.net/10045/19864). 2011.
•[**] Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. REVISION AND EXTENSION OF THE
McCABE-THIELE METHOD, COVERING MULTIPLE FEEDS, PRODUCTS AND HEAT
TRANSFER STAGES. Industrial & Engineering Chemistry Research. En revisión 2012.
• Reyes-Labarta, Juan Antonio.Extensión del método de Ponchon y Savarit para el diseño de
columnas de rectificación y extracción en sistemas multicomponentes. Cálculo del reflujo
mínimo. Biblioteca Virtual Miguel de Cervantes (Universidad de Alicante) , 1998.
http://www.cervantesvirtual.com/FichaObra.html?Ref=4845
CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada
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Información adicional
•Reyes-Labarta, J.A.; Caballero, J.A.; Marcilla, A.
A NOVEL HYBRID SIMULATIONOPTIMIZATION APPROACH FOR THE OPTIMAL DESIGN OF MULTICOMPONENT
DISTILLATION COLUMNS. European Symposium on Computer Aided Process Engineering-22
/ Ed. Ian David Lockhart Bogle and Michael Fairweather / Elsevier Science 12th (Computer
Aided Chemical Engineering). 2012; 30 (in press)
•Reyes, J.A.; Gomez, A.; Marcilla, A. GRAPHICAL CONCEPTS TO ORIENT THE MINIMUM
REFLUX RATIO CALCULATION ON TERNARY MIXTURES DISTILLATION. Industrial &
Engineering Chemistry Research. 2000; 30, 10: 3912-3919.
• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A.; Olaya M.M. NEW METHOD FOR QUATERNARY
SYSTEMS LIQUID-LIQUID EXTRACTION TRAY TO TRAY DESIGN. Industrial & Engineering
Chemistry Research. 1999; 38, 8: 3083-3095.
• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A. NEW METHOD FOR DESIGNING DISTILLATION
COLUMNS OF MULTICOMPONENT MIXTURES. Latin American Applied Research
International Journal on Chemical Engineering. 1997; 27(1-2): 51-60.
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