Conceptos Claves de Conceptos Claves de FraccionamientoUNEFM
Ing. Zoraida Carrasquero MSc.
Conceptos claves de fraccionamiento
Condensador
Zona de Rectificación
Condensador
D x
V1
Rectificación
LV
Etapa 1 Destilado
D, xDLo
F xF, xF
TF, PF, hF
’V’
Alimentación
F, xFTF hF
Zona de Alimentación
Zona de
L’V
Etapa n
B x
VN+1
L Agotamiento
Rehervidor
Residuo
B, xBLN
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
• Etapa ideal
Una etapa ideal no tiene existencia física o real. En la misma tomanpcontacto dos o mas corrientes (liquido-gas ó por ejemplo liquido-liquido) y seasume que abandonan la misma en estado de equilibrio. Esto implica que elpotencial químico de cada componente resulta equivalente, al igual que latemperatura (Scenna, N. J. y col., 1999).
Interfase
Plato real
Liquido
Altura equivalente
de de relleno
Figura 1. Esquema de una etapa de equilibrio.
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
g q p q
Liquido de la etapa
Vj Lj-1
q psuperior a ésta
En cada etapade equilibrio se
WjVapor de corriente lateral
yVjHVjTjP
xLj-1hLj-1Tj-1Pj-1
pueden aplicarun conjunto deecuaciones que
l i l
Etapa j
FjAlimentación
Pj
Qj
Transferencia de Calor
relacionan lasvariables quedeterminan elcomportamientop j
xFjhFjTFjPFj
(+) Si es de la etapa(-) Si es hacia la etapaxLj
hLjTj
yVj+1HVj+1T
comportamientodel equipo.Estasecuaciones se
Lj
PjPjLiquido de corriente lateral
V
Tj+1Pj+1
ecuaciones seconocen comoecuacionesMESHLjVj+1
Vapor de la etapa inferior a ésta
Figura 2. Modelo de una etapa de equilibrio en un equipo separador liquido – vapor
MESH
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Figura 2. Modelo de una etapa de equilibrio en un equipo separador liquido vaporFuente: Seader,J. D.; Henley, E. J., 2000
• AlimentaciónLa corriente de alimentación es una mezcla de dos o más componentes que seintroducen en la columna para su posterior separación. La alimentación puede serliquida , vapor o mezcla (L + V) y puede introducirse en el tope, fondo o en unpunto intermedio entre el tope y fondo.
Columna deenriquecimiento:alimentación por elfondo de la columna,generalmente es vapor
t dsaturado
Columna de agotamiento:
Columna defraccionamiento:
li t ió tColumna de agotamiento:alimentación por el tope de lacolumna, generalmente esliquido saturado
alimentación entretope y fondo de lacolumna
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
• Reflujo• ReflujoEs la cantidad de liquido (Lo)) que regresa a la columna para enriquecer elvapor superior y garantizar la temperatura más baja en el tope de la misma.
Relación de Reflujo superiorV1
QC
Externa
InternaLo D
xD
Relación entre Rext y Rint
F, xFTF, hF
VN+1
Relación de Reflujo inferiorBxB
LN
Q
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
QR
Reflujo
Es parte del vapor que condensa que regresa a la torre con la finalidad deEs parte del vapor que condensa que regresa a la torre con la finalidad deenriquecer los vapores del tope del producto mas volátil, además deenfriar la parte superior de la torre.
•Si no hay reflujo no hay fraccionamiento
•Si la cantidad de reflujo es baja se evaporaría antes de llegar a los platosj j p g pinferiores (Se secan los platos situados en la parte inferior de la torre)
•Si hay exceso de reflujo, la temperatura de la parte superior de la torreseria muy baja, y no se podrían evaporar todas las partes livianasdeseables
•Un reflujo total indica que no hay producto de tope, destilado
Ali t i d i lid l t l• Alimentaciones secundarias y salidas laterales
Alimentaciones Secundarias
Corrientes de la mezcla originalde distinta concentración para
V1, HV1
QC
de distinta concentración paraobtener los mismos componentesentre tope y fondo
Lo, hLo
D, xD hD
P2 , xP2
Salidas Laterales
F, xFTF, hF
P3 xP3
Salidas Laterales
Corrientes de producto de
VN+1, yN+1
B, xBhB
LN, xN pcomposición intermedia entre elproducto de tope y fondo
QR
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
• Accesorios de la torre: platos y empaques
Platos.
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Platos.
Paso del flujo de vapor en diferentes platos: a) platos de copas
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Paso del flujo de vapor en diferentes platos: a) platos de copasde burbujeo; b) plato perforado; c) plato de válvula.
Empaques
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Empaques
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Empaques
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
C ió t l d l t l• Comparación entre columnas de platos y columnasempacadas
Columnas de Platos Columnas EmpacadasColumnas de Platos Columnas Empacadas1. Cargas variables de liquido y/o vapor 1. Columnas de pequeños diámetros ( <
0,6 m)
2 Presiones superiores a la atmosférica 2 Destilaciones criticas al vacío donde2. Presiones superiores a la atmosférica 2. Destilaciones criticas al vacío, dondeson imprescindibles bajas caídas depresión
3. Bajas velocidades de liquido 3. Medios Corrosivos
4. Gran número de etapas y/o diámetro 4. Líquidos que forman espumas, enestas columnas la agitación esmenor.
5. Elevados tiempos de residencia delliquido
5. Bajas retenciones de líquidos, si elmaterial es térmicamente inestable
6. Posible ensuciamiento
7. Esfuerzos térmicos o mecánicos, quepueden provocar roturas del relleno.
8. Necesidad de utilizar serpentines derefrigeración en la columna
Conceptos Claves de Fraccionamiento Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
refrigeración en la columna.Fuente: Henley, E. J., ; Seader, J. D., 1998
• Condensador. Tipos.
Condensador totalFluido de
enfriamiento
En un condensador total toda la corriente devapor que abandona el tope de la columna secondensa y, posteriormente, en condensado secondensa y, posteriormente, en condensado sedivide en producto destilado (liquido) y reflujo queregresa a la columna (Lo). Todas esta corrientestienen la misma composición.
Tope de la columna
Condensador parcialFluido de
enfriamientop
Si se utiliza un condensador parcial, el vapor detope, V1 se condensa parcialmente.Entonces el vapor (D) y el liquido (Lo) que salen delcondensador están en equilibrio, y el condensadoropera como otra etapa de la columna.
Tope de la columna
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
R h id• Rehervidor
Rehervidor parcialEn un rehervidor parcial la corriente de liquido
d t d l últi l t d l l iprocedente del último plato de la columna, se vaporizaparcialmente, el liquido que resulta se extrae comoproducto de fondo, B, y el vapor se alimenta a la últimaetapa de la columna; ambas corrientes de producto del
Fondo de la columnaetapa de la columna; ambas corrientes de producto del
rehervidor están en equilibrio; y el rehervidor operacomo otra etapa de la columna.
Rehevidor total
El rehervidor total es aquel en que la corriente de liquidoprocedente de la última etapa de la columna se divideen dos corrientes, una corriente de producto de fondo,B y la corriente de alimentación del rehervidor donde
Fondo de la columna
B, y la corriente de alimentación del rehervidor, dondese vaporiza totalmente y regresa a la última etapa de lacolumna. Todas esta corrientes tienen la mismacomposición.
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Tipos de Rehervidor
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Rehervidor de Marmita
Selección de Rehervidor
De Termosifón
De paso continuo (1) D i l ió
De circulación forzada (5)
De marmita (6)
De paso continuo (1) De recirculación
Horizontal Vertical Horizontal (2) Vertical (3)
Con desviador (4) Sin desviador Condesviador (4)
Sin desviador
Figura 1. Guía rápida de selección de rehervidores. Fuente: Branan, C. 2000
1 Preferible al de recirculación donde se pueden mantener gastos aceptables de la vaporización (menos de 25 – 30%)Se elige este tipo cuando hay necesidad de minimizar la exposición de sustancias degradables o que producen
incrustación, o con ambas características, a temperaturas elevadas2 S i i d i d i li i f t El l t l2 Se usa para servicios grandes, proceso sucio o cuando se requiere una limpieza frecuente. El proceso suele estar en el lado del casco. Este tipo se usa en el 95% de las aplicaciones de termosifón en las refinerías de petróleo.3 Se usa para servicios pequeños, proceso limpio y solo se requiere limpieza no frecuente. La vaporización suele ser menor del 30%, pero menor del 15% si la presión de la fraccionadora se encuentra por debajo de 50 psig (lb/plg2
manométricas). La viscosidad de la alimentación del rehervidor debe ser menor de 0,5 cp. Colóquese una válvula ) p qmariposa en la tubería de admisión del hervidor. Este tipo se usa en casi el 100% de las aplicaciones de termosifón en las plantas químicas (70% de las petroquímicas).4 Mayor estabilidad que cuando no tiene desviador5 Suele usarse en donde la caída de presión es elevada y, por tanto, la circulación natural no resulta práctica.6 Muy estable y fácil de controlar No tiene flujo bifásico Permite una altura baja del faldón de la torre Sin embargo este
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
6 Muy estable y fácil de controlar. No tiene flujo bifásico. Permite una altura baja del faldón de la torre. Sin embargo, este tipo es costoso
Balances de materia y energía en una columna de platosBalances de materia y energía en una columna de platos
QC
Balance de materia global:
F = D + B
Balance de materia en el componente más volátil:
F = D + B
hD
F*xF = D*xD + B*xB
hF
Balance de energía:
F*hF + QR = D*hD +B*hB + QCQR
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
hB
B l d t i í l d d id d dBalance de materia y energía en el condensador: necesidades de agua de enfriamiento, magua.
Balance de materia globalQCHV1 Balance de materia global
V1 = Lo + DhLo
HD
Balance de energía
V *H L *h + D*H + Q
En un condensador total: h = h entonces
V1*HV1 = Lo*hLo + D*HD + QC
QHV1En un condensador total: hLo = hD, entonces
Qc = V1*(HV1 – hLo) = V1 * λmezcla, tope
QC
hLo hD
magua = QC/(TS,agua – TE,agua)
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Balance de materia y energía en el rehervidor: necesidades del vapor de calefacción, mvapor
Balance de materia global:
LN = VN+1 + B
Balance de energía:QR
hLN HVN+1
QRhB LN*hLN+ QR = VN+1*HVN+1 + B*hB
En el rehervidor total: hLN = hB,
QR = VN+1*λmezcla fondohLN
HVN+1
mvapor = QR/λvapor
R N+1 mezcla, fondo
QR hB
Conceptos Claves de Fraccionamiento Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
vapor R vapor
C l d d til ióColumna de destilación
La columna es de metal y tienecorte transversal circular.Contiene platos o etapas dondese efectúa el contacto entre lasdos fases (L y V). El vapor fluyehacia el tope de la columna y esmás rico en el componente másvolátil y el liquido fluye hacia elfondo de la columna y es menosrico en el componente masvolátil. Es decir, los
t K *V/L > 1componentes con Ki*V/L > 1tenderán a salir en el destilado ylos componentes con Ki*V/L < 1tenderán a salir en la corriente
Esquema de columna de destilación de cincoplatos, T1 < T2 < T3 < T4 < T5 , a Presión
tenderán a salir en la corrientede fondo.
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
platos, T1 T2 T3 T4 T5 , a Presiónconstante.
F t f t l ió d l lFactores que afectan la operación de la columna
• Condición de la alimentaciónEtapa de alimentaciónComposición de la alimentaciónTrazas de elementos que puedan afectar el ELV de la mezcla
C di i d d l fl j i t li id• Condiciones adversas de los flujos internos, liquido y vaporInundación (Flooding): El nivel de liquido en el vertedero se hace igual
al nivel de liquido en el plato superior, debido a un incremento de la presión en elplato inferior, lo que impide el descenso del liquido.plato inferior, lo que impide el descenso del liquido.
Goteo (Weeping): consiste en la caída de liquido a través de lasperforaciones del plato inferior y se debe a que la velocidad del vapor es menor a lanecesaria para impedir el paso del liquido.
Arrastre (Entrainment): l ll t d lArrastre (Entrainment): el vapor en sus ascenso se lleva parte delliquido hacia el piso superior. Si el arrastre es moderado se denomina Blowing; siel caudal de vapor es elevado se forma un cono de vapor que arrastra el liquido sinlograr el contacto entre las dos fases y se denomina Coning.
• Tipo de contactoContacto discontinuoContacto continuo
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Ejercicio –Identifique los esquemas que representan una etapaEjercicio –Identifique los esquemas que representan una etapa ideal
Fig. 3 Concepto de etapa de destilación. (a) Presentación general de una etapa de destilación (b) y (c) Producto de fase simple (no son etapas ideales de destilación); (d) y (e) Productos en dos fases (etapas ideales de destilación).
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Especificaciones
En el diseño u operación de una columna de destilación se debeespecificar una gran cantidad de variables tanto de diseño como deespecificar una gran cantidad de variables, tanto de diseño como desimulación. Normalmente se especifican la presión de la columna,que determina los datos de equilibrio, la composición de laalimentación flujo y temperatura o la entalpia de la alimentación oalimentación, flujo y temperatura o la entalpia de la alimentación, obien la calidad de la alimentación; además la temperatura o entalpiadel liquido de reflujo.. (Wankat, P. C., 2008).
Variables especificadas normalmente para destilación binaria
1. Presión de la columna
2. Flujo másico ó molar alimentado
3. Composición de la alimentación
4. Temperatura, entalpia ó calidad de la alimentación
5. Temperatura ó entalpía del reflujo (en general liquido saturado)
Especificaciones Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Wankat, P. C., 2008
Especificaciones y variables calculadas para destilación binaria en problemas de diseño.
Variables especificadas El diseñador calculaVariables especificadas El diseñador calcula
A
1. Fracción molar del componente más volátil en el destilado, xD
Flujo másico ó molar en el destilado, D y BCargas de calentamiento y enfriamiento, QRy QCNúmero de etapas N
2. Fracción molar del componente más volátil en la corriente de fondo xB Número de etapas, N
Plato óptimo de alimentaciónDiámetro de columna
volátil en la corriente de fondo, xB
3. Relación de reflujo externo, Lo/D4. Usar el plato óptimo de alimentación1. Recuperaciones fraccionarias de xD, xB, D, B
Bcomponentes en el destilado y fondo, (FRA)dest, (FRB)fondo
QR, QC
NNalim
Diámetro de la columna
2.
3. Relación de reflujo externo, Lo/D4 Usar plato óptimo de alimentación4. Usar plato óptimo de alimentación
C
1. D ó B B ó DXB ó xD
QR, QC
N y N
2. XD ó xB
3. Relación de reflujo externo, Lo/D4 U l l t ó ti d li t ió N y Nmin
Diámetro de la columna4. Usar el plato óptimo de alimentación
D1. xD y xB D y B, QR y QC
N, Nalim
Diámetro de la columna2. Relación de vapor del fondo, V/B3 U l l t ó ti d li t ió
Columna de destilación Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Diámetro de la columna3. Usar el plato óptimo de alimentaciónWankat, P. C., 2008
Mét d d di ñMétodos de diseño
S l L iCalculo plato a plato: se aplica un balance de materia y energía entred l t d t d l l fl j i l SSorel – Lewis dos platos adyacentes cuando la columna opera a reflujo parcial. Sesupone que la columna opera adiabáticamente y que no existe calorde mezcla; que las líneas de líquido y vapor saturado en un diagramade entalpia concentración son paralelas.
Analíticos Smoker – RoseLa ecuación de Smoker’s es conveniente utilizarla en separacionesbinarias con un gran número de etapas. Esta asume volatilidad relativaconstante y flujo molar constante; es esencialmente una soluciónanalítica del diagrama x-y.
Fenske Considera volatilidad constante y supone que las etapas son deequilibrio
Ponchon – SavaritInvolucra balances de materia y energía y las relaciones de equilibriode fases. Es un método riguroso, pero requiere información detallada
Gráficos
sobre las entalpías.
McCabe – ThieleEs la forma mas simple de representar una solución grafica de unaclásica separación de N+1 etapas de equilibrio con flujos de liquido yvapor en contracorriente
Entalpia –Concentración
Se considera la destilación mediantes datos de entalpia- concentracióny con velocidades de derrame molal no necesariamente constantes. Seaplican balances de materia y de entalpia.
Métodos de Diseño Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Mét d d di ñMétodos de diseñoEcuación de Fenske
Para el calculo del Numero Mínimo de etapas
Para el calculo del Reflujo mínimo
1 (li id d li t ióq= 1 (liquido de alimentación ensu punto de burbuja)
q = 0 (Vapor de alimentación enel punto de rocío)
Métodos de Diseño Ing. Zoraida Carrasquero MSc Unidad II. Destilación - Destilación Fraccionada
Referencias Bibliográficas.
• HENLEY E J ; SEADER J D (1998) Operaciones de Separación por etapas de• HENLEY, E.J.; SEADER, J. D. (1998). Operaciones de Separación por etapas deequilibrio en ingeniería química. Editorial Reverté. Segunda Edición..
• FOUST, A.; WENZEL,L.; CLUMP, C.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. (1980) Principlesof Unit Operations Segunda Edición John Wiley & Sons editoresof Unit Operations. Segunda Edición. John Wiley & Sons editores.
• McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. (2007) Operaciones unitarias en ingenieríaquímica. Editorial McGraw Hill. Séptima Edición.
• GEANKOPLIS, C. J. (1998) Procesos de transporte y operaciones unitarias. Terceraedición. Editorial Cecsa
• TREYBAL R. (1980). Operaciones de transferencia de masa. Segunda edición.Editorial McGraw Hill.
• WANKAT, P. (2008) Ingeniería de procesos de separación. Segunda Edición. EditorialPrentice Hall..
• MARCILLA GOMIS, A. (1998). Introducción a las operaciones de separación. Calculopor etapas de equilibrio. Publicaciones de la Universidad de Alicante. Edición electrónicaEspagrafic..
Referencias BibliográficasReferencias Bibliográficas.
• KISTER, H. (1992). Distillation Design. Editorial McGraw Hill. .
KING J (1988) P d ió Edit i l R té Edi ió ñ l•KING, J. (1988). Procesos de separación. Editorial Reverté. Edición en español.
• PERRY R., H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. (1998). Manual del IngenieroQuimico. Sexta Edición. Editorial McGraw Hill