Tema2 destilacion rectificacion

TEMA 2.
DESTILACIÓN Y RECTIFICACIÓN
Contenido
2.1. Introducción
2.2. Destilación súbita o flash
2.3. Rectificación
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.1. Introducción
Destilación: separación de una mezcla líquida de componentes miscibles entre sí en varios o
cada uno de esos componentes individuales, mediante vaporización parcial.
 Basada en el uso de un Agente Energético de Separación (AES)
 Transferencia de materia entre fases L-V generadas
 La fase vapor generada se enriquece en los componentes más volátiles
 Tras el contacto entre las fases L y V, ambas se separan mediante gravedad
Modalidades
o En función del tipo de contacto entre fases
o En función del número de etapas de contacto
o En función del modo de operación
Continuo: torres de relleno
Intermitente: columnas de pisos o platos
Una etapa: Destilación súbita o flash
Múltiples etapas de contacto: Rectificación
Continuo
Discontinuo o por cargas
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V
• Variables controlantes: temperatura, presión, concentraciones
yA
A
• Tipos de equilibrio existentes:
a) Térmico  TL = TV
b) Mecánico  PL = PV
• Regla de las fases de Gibbs:
F=C-+2
Siendo
• F : nª variables intensivas independientes (grados de libertad)
•  : nº total de fases del sistema
Pvapor
Tvapor
Pliq
Tliq
xA
c) Químico  iL = iV
• C : nº total componentes del sistema
yA + yB=1
yB
xB
B
xA + xB=1
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
y
Curvas de equilibrio
T
TRocío vs y
x
TBurb vs x
y
Azeótropo
x,y
x
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
Curvas de equilibrio
H, h
HVS vs y
HLS vs x
x,y
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
Curvas de equilibrio
1º Balance de componente:
T
F  z A  L  xB  V  yC
Tcámara
B
A
C
TRocío vs
ye
2º Balance Global:
F  L V
TBurb vs xe
xB
zA
yC
4º Sustituyendo [2] en [3] :
L
L
 z A  z A   xB  yC
V
V
x,y
[1]
[2]
3º Dividiendo [1] entre V :
F
L
 z A   xB  yC
V
V
L yC  z A AC


V z A  xB BA
[4]
[3]
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V
Constantes de equilibrio (o de reparto)
yi
Ki 
xi
[5]
Estimación de K
• Correlaciones gráficas (Ej.: Perry, R.)
• Correlaciones analíticas:
 Formas rigurosas (basadas en ecuaciones de estado)
Coeficientes de
fugacidad
Coeficientes de
actividad
Ki 
Ki 


L
i
V
i
 iL  iL

V
i
HC y mezclas de gases ligeros desde Tª criogénica hasta Tª crítica[6]
Todas las mezclas desde Tª ambiente hasta Tª crítica [7]
2.1. Introducción
L
V Coef. Fugacidad de i en mezcla líquida y
i , i
EQUILIBRIO L-V
L
V
Constantes de equilibrio (o de reparto)  i ,  i
 iS
Estimación de K
• Correlaciones analíticas:
 Formas aproximadas
Ley de Raoult
Ley de Raoult
modificada
Corrección de
Poynting
Ley de Henry
Ki 
Ki 
Coef. Actividad de i en mezcla líquida, a T,P
Pi S
Presión de saturación a T
V
Ki 
Hi
P
Factor de corrección de Poynting
Disoluciones líquidas no ideales a Tª próxima a
la ambiente
P
i  P
Coef. Fugacidad de i puro a T, Psat
Disoluciones ideales a Tª próxima a la ambiente [8]
 iL  Pi S
 iL   iS  Pi S
Coef. Fugacidad de i puro líquido y vapor,
respectivamente, a T,P
 iL
FP i
Pi S
Ki 
P
vapor, respectivamente, a T y P
 FP i
[9]
Disoluciones líquidas a presión moderada y por
[10]
debajo de Tª crítica
Bajas a moderadas presiones a Tª supercrítica [11]
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
Volatilidad relativa
yi
 ij 
yA
Ki
xi

Kj yj
xj
 AB 
KA
x A y A  1  x A 


K B yB
x A  1  y A 
xB
yA 
 AB  x A
[12]
1   A B  1 x A
Mezclas binarias
Punto de Burbuja
Nc
Nc
 y  K x
i 1
i
i 1
i
i
 1 [13]
Nc

i 1
 i ,ref 
Ki
K ref
i , ref
 K ref  xi  1
K ref 
1
Nc

i 1
i , ref
 xi
[14]
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
Punto de Burbuja
 Suponiendo que Ki es independiente de la composición:
Suponer T
Tomar T para que Ki
sea un factor de 1/Kixi
Calcular PiV a T
Calcular Ki
NO
Calcular Kixi
¿ Kixi = 1?
SÍ
Temperatura supuesta = TB
 Si Ki = f(T,P, composición)  Henley y Seader
Si Kixi es próximo a 1:
yi 
K i  xi
Nc
K x
i 1
i
i
2.1. Introducción
EQUILIBRIO L-V.
Punto de Rocío
Nc
Nc
 xi  
i 1
i 1
yi
1
Ki
[15]
Cálculo análogo a TB
Contenido
2.1. Introducción
2.2. Destilación súbita o flash
2.3. Rectificación
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.2. Destilación súbita o flash
Vapor
V, yi, HV
Alimento
F, zi, TL, PL
Cambiador
QH
Válvula
TF,
PF,
Bomba
HF
Líquido
L, xi, hL
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
Balances de materia:
Relaciones de equilibrio
Balance Global: F  L  V
Componentes (equilibrio químico):
K i Tcámara, Pcámara, x, y  
yi
xi
[5]
Térmico:
TV  TL
[16]
Mecánico:
PV  PL
[17]
Componentes:
[2]
F  zi  L  xi  V  yi [1]
Balances de energía:
F  hF  Q  L  hL  V  HV
[20]
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
nº variables  nº corrientes 

c  2

composiciones, T y P
nº ecuaciones  c  1 
BM
BE

c  2


1
 3  2  2  1  13
Qint ercambiado
 2c  3  7
Equilibrios comp, T, P
Variables de diseño (GL)  13 - 7  6
• Variables conocidas habituales (5): F, zF, TF, PF y PCámara
• Variables adicionales (1): y, x, f = V/F, q = L/F, TCámara
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
A partir de los balances de materia:
Línea de operación
yi  
L
L 
 xi    1  zi
V
V

[21]
Si se especifica la fracción vaporizada (f) o la fracción líquida (q) tras destilación:
L 1 f

V
f
[22]
L
q

V 1 q
[23]
La línea de operación puede expresarse como:
yi  
z
1 f
 xi  i
f
f
[24]
yi  
 1 
q
  zi
 xi  
1 q
1 q 
[25]
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
Solución gráfica:
pte  
O.O. 
L
1 f
q


V
f
1 q
F
1
1
 zi   zi  
 zi
V
f
1 q
y
O.O
A
Pte = -L/V
zi
h,H
x
HV, yi
Balance de energía:
[20]
Q
hF   q  hL  (1  q)  HV
F
hF+Q/F, zi
hL, xi
x,y
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
Solución gráfica:
y
• q > 1  Líquido subenfriado
• q = 1  Líquido saturado
• 0 <q < 1  Vapor húmedo
q=1
0<q < 1
q=0
• q = 0  Vapor saturado
• q < 0  Vapor sobrecalentado
zi
x
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.1 DESTILACIÓN SÚBITA BINARIA
Caso más complejo:
• Variables conocidas: F, zF, TF, PF, PCámara, Q
Procedimiento iterativo
• A resolver: y, x, V, L, TCámara
Ejemplo: cálculo de Tcámara
1º Calcular
hF
2º Estimar
Tcámara
3º Calcular
Ki
4º Calcular yi,
xi
6º Con Tcámara , x, y
calcular hL, HV
NO
FIN
5º Con B.M.
calcular L,V
SÍ
7º Mediante B.E.
¿coincide hF de 7º
con hF de 1º?
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE
nº variables  nº corrientes 

c  2


composiciones, T y P
nº ecuaciones  c  1 
BM
BE

c  2

1
 3   c  2  1  3c  7
Qint ercambiado
 2c  3  7
Equilibrios comp, T, P
Variables de diseño (GL)  3c  7 - 2c  3  c  4
• Variables conocidas habituales (c+2): F, zi, TF, PF
• Variables adicionales (2): PCámara, TCámara
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE
Suponiendo que Ki es independiente de la composición:
F  L V
B.M. Componentes:
F  zi
xi 
L  V  Ki
F  zi  L  xi  V  yi
xi 
zi
1  K i  1 
[26]
yi  K ixi
yi 
Cálculo de V/F:
Nc
Nc
 xi  
i 1
Nc
V
i 1
1  K i  1 
F
Nc
 yi  
i 1
zi
1
K i  zi
V
i 1
1  K i  1 
F
1
[29]
[30]
V
F
K i  zi
1  K i  1 
[27,28]
V
F
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE
Rachford y Rice:
Nc

K i  zi
V
i 1
1  K i  1 
F
Nc
zi

V
i 1
1  K i  1 
F
K i  1 zi

V
i 1
1  K i  1 
Nc
0
0
[31]
F
Calcular V/F
con [31]
Calcular xi, yi
con [27,28]
Calcular L y V
con B.M.
Calcular Q
con B.E.
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE
Caso más complejo:
• Variables conocidas: F, zF, TF, PF, PCámara, Q
Procedimiento iterativo
• A resolver: y, x, V, L, TCámara
Variables de iteración:
V/F y Tcámara
Caso a) mezclas con grandes divergencias entre TB y TR (80-100ºC)
Estimar
Tcámara
Calcular
Ki
Estimar
V/F
Calcular xi, yi,
L, V, HV y hL
¿Se cumple B.E.?
SÍ
NO
FIN
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA MULTICOMPONENTE
Caso B) mezclas con pequeñas divergencias entre TB y TR
Estimar
V/F
Estimar
Tcámara
Calcular
Ki
¿Se cumple
Rachford-Rice?
SÍ
NO
Calcular xi, yi,
L, V, HV y hL
NO
¿Se cumple B.E.?
SÍ
FIN
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.3 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CÁMARA
1º. Cálculo de la velocidad del vapor máxima permisible (vmax)
 L  V
V
vmax  ft s   K cámara 

[32]
Kcámara  exp A  B  LnFLV   C  LnFLV   D  LnFLV   E  LnFLV 
Siendo:
2
FLV 
L V

V
L
A = -1,877478097
C = -0,1870744085
B = -0,8145804597
D= -0,0145228667
3
[34]
E = -0,0010148518
4

[33]
2.2. Destilación súbita o flash
2.2.3 CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CÁMARA
2º. Cálculo del área transversal (AL)
V  MWV
AL 
vmax  3600  V
Siendo:
[35]
MW= Peso molecular (lb)
4  AL

D
V= Caudal vapor (lbmol/h)
3º. Determinar D/L
hV  36 
1
 Dtubería_ ent
2
1
hF  12   Dtubería_ ent
2
hL 
V
Mínimo 48”
F
Mínimo 18”
hV
hF
hL
Vacum_ líq
  D2 4
L hV  hF  hL

D
D
[36]
L
[37]
Si L/D < 3  más volumen de liq. acumulado
Si L/D > 5  cámara horizontal
Contenido
2.1. Introducción
2.2. Destilación súbita o flash
2.3. Rectificación
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.3. Rectificación
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
2.3. Rectificación
Sector de
agotamiento
Sector de
enriquecimiento
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
2.3. Rectificación
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
a. Pisos con vertederos
b. Pisos sin vertederos
L
V
V
L
V
V
V
L
2.3. Rectificación
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
a.1 Pisos perforados
2.3. Rectificación
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
a.2 Pisos de válvulas
2.3. Rectificación
2.3.1 EQUIPOS PARA RECTIFICACIÓN
a.3 Pisos de campanas
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
I. Variables de diseño
VD   VD Elementos  Cc  c  2  Vc
[38]
• (VD)Elementos = variables de diseño de cada elemento o dispositivo
• Cc = corrientes comunes
• Vc = variable de construcción
Variables
Ecuaciones
• Composiciones (c)
• Balances de materia por componentes (c-1)
• Temperatura y presión (2)
• Balance de materia global (1)
• Calor intercambiado (1)
• Balance de energía (1)
• Equilibrio químico (c)
• Equilibrio térmico (1)
• Equilibrio mecánico (1)
• División de corriente (c+1)
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
I. Variables de diseño
Ejemplo 1: etapa de equilibrio
n º variables nº corrientes 

c

2

composiciones, T y P

c  2

nº ecuaciones  c  1 
BM
BE
1
Qint ercambiado
 4   c  2  1  4c  9
Vn, yn
Ln+1, xn+1
 2c  3  7
Equilibrios comp, T, P
Vn-1, yn-1
VD etapa  4c  9 - 2c  3  2c  6
L n, x n
Ejemplo 2: divisor de corriente
nº variables  nº corrientes 

c  2


composiciones, T y P
nº ecuaciones  c  1 
BM
BE

c  1

1
Qint ercambiado
 2c  2
x iL1  x iL2 , TL1 TL2 , PL1  PL 2
VD divisor  3c  7 - 2c  2  c  5
 3   c  2  1  3c  7
L1
L
Q
L2
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
I. Variables de diseño
Condensador parcial + Sector de enriquecimiento + etapa de
alimentación + sector de agotamiento + caldera
VD = C+7 = 9
• Variables fijas = 5 (F, zF, TF, PF, PD)
• Variables libres = 4 (yD, xR, LD/D, aóptimo)
Condensador total + Sector de enriquecimiento + etapa de
alimentación + sector de agotamiento + caldera
VD = C+8 = 10
• Variables fijas = 5 (F, zF, TF, PF, PD)
• Variables libres = 5 (yD, xR, LD/D, aóptimo, TD)
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
Consideraciones previas
Presión
• PD = 10 atm; PR = 10,7 atm
• ∆P columna = 0,35 atm
• ∆P condensador = 0,35 atm
• PD = 1 atm; PR = 1,7 atm
VM+N
D
LD
• PD = 0,1 atm; PR = 0,8 atm
Condición del alimento
• ¿Destilación súbita?  Calcular TBurb, TRocío, q
Condensador
• Condensador parcial: LD líquido a TBurb; D vapor a TRocío
R
• Condensador total: LD y D líquidos a T  TBurb
Razón de reflujo
• Interna: LD / VM+N
• Externa: LD / D
Balance económico: 1,2·(LD/D)min < (LD/D)óptimo < 2·(LD/D)min
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
VM+N
SIMPLIFICADOS
• Suponen flujo molar de cada fase constante en cada sector
D
LD
• Resolución a través de balances de materia y relaciones de
equilibrio
A
• Válido si:
• Calores latentes de los dos componentes son iguales
• Calores de mezcla, pérdidas de calor y variaciones de calor
sensible del L y V despreciables
• Por cada mol de vapor que condensa, se evapora un mol de
líquido
• Resolución empleando caudales y fracciones molares
R
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis
Datos de partida:
• Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD
• Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo
• Equilibrio K = f(T)
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
D, zD
VM+N
II. Métodos de cálculo
Condensador
SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis
Vn
Ln
Etapa n+1
Etapa n
Etapa n-1
A, zA
Caldera
R, xR
Sector Enriquecimiento
LD
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
VM+N
II. Métodos de cálculo
D, zD
Condensador
SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis
LD
A, zA
Caldera
R, xR
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
D, zD
VM+N
II. Métodos de cálculo
Condensador
SIMPLIFICADOS. A) Analíticos. Método de Lewis
LD
Etapa m
Vm
Lm
Caldera
Etapa m-1
Etapa m-2
R, xR
Sector Agotamiento
A, zA
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Datos de partida:
• Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD
• Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo
• Curva de Equilibrio
Recta operativa Sector Enriquecimiento
L
D  xD
yn  n  xn 1 
[39]
Vn
Vn
Recta de Alimentación
q
z
yn 
 xn 1  A
q 1
q 1
[40]
Recta operativa Sector Agotamiento
L
R  xR
[41]
ym  m  xm1 
Vm
Vm
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Condición térmica del alimento
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Posición óptima del piso de alimentación
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Condiciones de operación límite
Número mínimo de pisos
LD
LD
   D  0  L D  VM  N 
1
D
VM  N
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Condiciones de operación límite
Razón de reflujo mínimo
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
PAPEL LOGARÍTMICO: Se utiliza
cuando las purezas de los
componentes son extremos (XD ó XR
99,9%). Las rectas operativas se
transforman en curvas por lo que
necesitaremos varios puntos para su
representación. Los escalones serán
rectos.
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
PAPEL PROBABILÍSTICO: Permite representar
simultáneamente concentraciones altas y
bajas.
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Corrientes laterales, alimentaciones múltiples
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
SIMPLIFICADOS. B) Gráficos. Método de McCabe-Thiele
Vapor directo como agente de calefacción
VM+N
D
LD
A
Vm
C
Etapa m+1
Lm+1
Etapa m
R
ym 
Lm
R  xR  C  yC
 xm1 
Vm
Vm
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel
Datos de partida:
• Variables fijas = A, zA, TA, PA, PD
• Variables libres = zD, xR, LD/D, aóptimo
• Datos de equilibrio a distintas presiones
• Datos entálpicos
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. A) Analítico. Método de Sorel
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit
• ∆D = caudal neto de energía en sector superior
• ∆R = caudal neto de energía en sección inferior
• Recta ∆D―∆R: recta polar
LD M D  H M  N  D B


D
H M  N  hD
BC
[42]
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit
Condiciones de operación límite
Número mínimo de pisos
LD
MD  

D
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit
Condiciones de operación límite
Razón de reflujo mínima
[42]
M D min  H M  N  D min B
 LD 

  
D
H

h
BC
  min
M N
D
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
II. Métodos de cálculo
RIGUROSOS. B) Gráfico. Método de Ponchon-Savarit
Extracciones laterales o alimentaciones múltiples
• Nº polos = Nº secciones de columna
• Nº rectas polares = Nº secciones de columna – 1
• Polos de secciones consecutivas están alineados a través de la
VM+N
corriente lateral que los separa
LD
Vapor directo como agente de calefacción
• T = R-C = Lm+1 – Vm = A-D
[43]
• T·zT = R·xR
[44]
• C = T·HT = R·hR - C·HC
[45]
D
A
Vm
C
Etapa m+1
Lm+1
Etapa m
R
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo
A) APROXIMADOS. Basados en:
A.1) Condiciones límite de operación
• Fenske: Reflujo Total. Estimación del número mínimo de etapas de contacto de
equilibrio
• Underwood: Relación de reflujo mínima. Estimación de la relación de reflujo mínima
• Gilliland: Estimación del número de etapas de contacto de equilibrio
• Kirkbride: Estimación de la localización de la etapa de alimentación
“Operaciones de separación por etapas de equlibrio en Ingeniería Química”. E.J. Henley y J.D. Seader.
A.2) Factores de absorción-desorción efectivos: Método de Edmister
“Operaciones de separación por etapas de equlibrio en Ingeniería Química”. E.J. Henley y J.D. Seader.
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo
B) SIMPLIFICADOS. Basados en:
Resolución del sistema de ecuaciones formado por los balances de materia, las relaciones
de equilibrio y las relaciones de identidad, asumiendo caudales constantes en cada
sector de la columna solamente alterados por una entrada/salida de materia o energía
C) RIGUROSOS. Basados en:
Al sistema de ecuaciones anterior se añaden los balances entálpicos en cada etapa de
contacto, lo que permite estimar la variación de los caudales de vapor y líquido entre
etapas dentro de
cada sector.
• Basados en el cálculo etapa por etapa: Lewis-Matheson, Thiele-Geddes
• Basados en el cálculo por componentes: Amundson-Pontinen, Bubble-Point (BP),
Sum-Rates (SR), Newton-Raphson.
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS
MÉTODO DE FENSKE: Reflujo total con etapas de contacto en equlibrio
N min
  xCL 





 x

Ln  CP  D
 xCL  

 



 xCP  R 


m
Ln  CL
,CP
N min

[46]

  d CL 






 d

Ln  CP  D
 d CL  

 



 d CP  R 


m
Ln  CL
,CP


m
 CL
,CP 

  
CL,CP D

CL,CP R
[48]
Distribución de los componentes no clave
ai  di  ri
[47]
di d r
N
   i ,r  min
ri
rr
ri 
ai
d 
N
1   r    i ,r  min
 rr 
[49]
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS
MÉTODO DE UNDERWOOD: Condiciones de reflujo mínimo
 En mezclas binarias la localización de la etapa más restrictiva para definir una posible
zona pinch es la alimentación.
 En el caso de mezclas binarias con comportamiento no ideal esa etapa puede estar en el
sector de enriquecimiento o en el sector de agotamiento
 En el caso de mezclas multicomponentes, si hay especies que no se distribuyen en ambos
sectores puede haber zonas pinch tanto en el sector de enriquecimiento como en el de
agotamiento:
• Compuestos no-clave pesados que no se distribuyen: pinch en el sector de
enriquecimiento
• Compuestos no-clave ligeros que no se distribuyen: pinch en el sector de agotamiento
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS
MÉTODO DE UNDERWOOD: Condiciones de reflujo mínimo
1º. Determinar θ:
 i ,r  ziF
 1 q




i 1
i ,r
2º. Determinar (LD/D)min:
c
 i ,r  xiD
L 
 1  D  min

D
i 1  i , r  
c
[50]
Cuando no existen componentes interclave:
 CP,CP     CL,CP
[51]
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS
MÉTODO DE GIILLILAND: Cálculo del número de etapas de contacto de equilibrio teóricas
 1  54,4  X   X  1 
Y  1  exp 
   0, 5 
 11  117,2  X   X 
Y
N  N min
N 1
 LD   LD 
  
D
D
X      min
 LD 
  1
D
[53]
[54]
[52]
2.3. Rectificación
2.3.2 RECTIFICACIÓN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES
I. Métodos de cálculo. APROXIMADOS
MÉTODO DE ERBAR-MADDOX: Cálculo del número de etapas de equilibrio teóricas
Contenido
2.1. Introducción
2.2. Destilación súbita o flash
2.3. Rectificación
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.1 PARÁMETROS DE DISEÑO
a) Capacidad de la columna
b) Caída de presión
c) Costes
d) Facilidad de operación

Formación de espumas

Anegamiento

Mala distribución del líquido

Goteo
e) Eficacia de la columna
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.1 PARÁMETROS DE DISEÑO
Límites de operación estable de pisos
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
F  F
g
Fr
Ff
 Ff  Fr  0
  d 
F f  V  
g

 6 
3
P
   d P2  Vg
Fr  CR  

 V

 4  2
2
Fg
   d P3 
Fg   L  
g

 6 
0,5
   V
Vg  CSB   L
 V



 4  dP  g 

CSB  
 3  CR 
0,5
[55]
CSB: Parámetro de capacidad
de Souders y Brown
[56]
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
Límites de anegamiento para pisos de campanas de burbujeo y pisos perforados
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
Correlación de Fair
CSB  C  FTS  FE  FVA

FTS= Factor de tensión superficial
FE= Factor de espuma

  dinas


cm 
FTS 


20


0, 2
FE = 1 (sistemas no espumantes)
FE > 0,75 (sistemas espumantes, absorbedores)
FVA= relación entre orificios de paso del vapor y área activa de plato
FVA  1
A
FVA  5   V   0,5
 Aa 
para
para
AV
0,1 
Aa
AV
 0,1
Aa
 0,06
[57]
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA
1.
Localizar el piso con caudales de L y V máximos (Lp y Vp).
2.
Suponer un espaciado entre pisos : Hv ~ 15-25 in
3.
Estimar la densidades de líquido y vapor (ρL y ρV).
4.
Calcular la velocidad límite de arrastre (Vg)
5.
Estimar una velocidad para calcular el diámetro de la columna (VV):
6.
•
Sistemas espumantes: VV = 70-75 % Vg
•
Sistemas no espumantes: VV = 80-85 % Vg
Determinar el área neta de flujo del vapor:
Aa = QV / VV
7.
Seleccionar el tipo de piso en función del caudal de líquido en m3/h (Tabla 12.1)
8.
Seleccionar un valor del área de vertedero como porcentaje del área de la columna, correspondiente al
diámetro de la columna seleccionado (Tabla 12.2).
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA
9.
Calcular el área de la columna:
ACol 
Aa
(% ACol )V
ACol  Aa  Avert  Adl  Ano_ útil
[58]
[59]
10. Calcular el diámetro de la columna:
4

DCol   ACol 


1
2
[60]
11. Comprobar que el espaciado entre pisos está dentro de los límites recomendados para el diámetro de la
columna calculado:
•
DCol = 0,78 -1,5 m → HV = 18 in (0,4572 m)
•
DCol = 1,5- 7,5 m → HV = 24 in (0,6096 m)
•
Flujo cruzado: QL ⦤ 0,015 m3/s por metro de diámetro
•
Resto: QL ⦤ 0,032 m3/s por metro de longitud de presa
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA
Tabla 9.1: Selección de tipo de piso en función del caudal de líquido
(m3/h)
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.2 CAPACIDAD Y DIÁMETRO DE LA COLUMNA
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA COLUMNA
Tabla 9.2: Distribución aproximada de áreas como porcentaje del área de la
columna
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.3 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA
H  H min  HV  N
[61]
H min  3  HV
[62]
2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA
Variables que influyen sobre la eficacia de piso
• Sistema gas-líquido
• Tipo de piso
• Diámetro del piso
• Altura del líquido en el piso
• Espaciado entre pisos
• Viscosidad del líquido
• Tensión superficial del líquido
• Volatilidad relativa de los componentes
clave
•etc.
- FLUJO DE TRANFERENCIA DE MATERIA A TRAVÉS DEL GAS
- FLUJO DE TRANSFERENCIA DE MATERIA A TRAVÉS DEL LÍQUIDO
- GRADO DE MEZCLA DEL LÍQUIDO
- ARRASTRE DE LÍQUIDO POR EL GAS
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA
Eficacia global
N teórico
ET 
N real
[63]
Eficacias individuales de Murphree
yn
Composición uniforme de L y V en piso
EMG 
yn  yn 1
yne  yn 1
EML 
xn 1  xn
xn 1  xne
[64]
Yn-1
Eficacias puntuales
Composición no uniforme de L y V en piso
EGT 
y  yn 1
ye  yn 1
Xn
ELT 
xn 1  x
xn 1  xe
[65]
Xn+1
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global
Correlación de Drickamer-Bradford
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global
Correlación de O´Connell
2.4. Diseño de columnas de pisos
2.4.4 EFICACIA DE LA COLUMNA. Eficacia Global
MÉTODO A.I.Ch.E. PARA EL CÁLCULO DE LA EFICACIA DE PISO