EDWIN BALDEON CHAMORRO
UNAL M
Es una operación unitaria que tiene por objeto separar, mediante vaporización una mezcla de líquidos miscibles y volátiles en sus componentes. Esta separación se basa en aprovechar las distintas presiones de vapor de los componentes de la mezcla en una cierta temperatura. Existen dos tipos de destilación: simple y fraccionada. Ejemplos: Separación de alcoholes de un mosto Separación de componentes hidrocarbonados
Diagrama temperatura composición
Benceno y tolueno
Diagrama T-x para un sistema binario con azeótropo
Es necesario conocer la composición de los componentes en ambas fases para que la separación sea exitosa Existen formas de predecir este comportamiento? Xi i (T,P,Xi) Pi
vap
(T) = yi P
i (T,P,Xi) = coeficiente de actividad (=1 para soluciones ideales)
Para dos componentes consideramos que:
xA es la fracción mol de A en el líquido
xB es la fracción mol de B en el líquido yA es la fracción mol de A en el vapor
yB es la fracción mol de B en el vapor
El diagrama de equilibrio se puede graficar usando la Ley de Raoult para sistemas ideales
Diagrama de equilibrio y-x
Presiones parciales, Leyes de Daltón, Raoult y Henry La presión parcial pA del componente A en una mezcla de vapores La Ley de Dalton pA = YA P La Ley de Henry pA = H’XA La Ley de Raoult pA = PYA
=
PAXA
P presión total PA presión de vapor del componente puro A
LEY DE RAOULT (Para Vapor – Líquido)
p A = PA X A p B = PB X B
(Soluciones ideales)
Equilibrio
A
YA
B
YB
pA = Presión parcial de vapor de A XA = Fracción molar de A en la fase liquida PA = Presión del vapor del componente A puro
(Para soluciones Ideales o No Ideales Ley Henry con soluciones diluidas)
pA = PT YA
pB = PT YB
p A + pB = P T
XA + X B = 1
PA XA + PB XB = PT PA XA + PB (1 – XA) = PT
p YA
P X A
PT
A
PT
A
VOLATILIDAD RELATIVA Expresa la diferencia entre la composición del vapor (YA) y la composición del Líquido (XA)
AB
Y /X A
Y B
Para ideales
A
YA / X A
/XB
YA
pA
P
1 YA /1 X A PB YB
P
T
AB
P A
PB
T
YA
XA
1 1X A
> 1 Separación es posible
La presión de vapor está relacionada con la ebullición Se dice que un líquido entra en ebullición cuando su presión de vapor es igual a la presión que lo rodea La facilidad con que el líquido pasa a vapor depende de su volatilidad La presión de vapor y por lo tanto el punto de ebullición dependen de los componentes en la mixtura
Diagrama entalpía composición
Relaciona la composición de los componentes en la fase líquida con la fase vapor: XA vs YA Se puede construir a Presión constante o a Temperatura constante
Para la construcción del diagrama de equilibrio: Se determinan experimentalmente la composición (XA ) y la presión de vapor a una temperatura determinada Se calcula la Presión total e YA
Por ejemplo para un sistema: metanotrietilamina, donde se tiene una composición al 50% de metano a una Temperatura de 60°C
Se conocen las presiones de vapor a esa temperatura
P = XA P A
vap
+ XB PB
vap
P = 0,5*0,7583 + 0,5*0,3843 = 0,5713 bar
YA = (XA PA )/P = (0,5*0,7583)/0,5713=0,66 3
vap
Las tensiones del vapor de benceno y del tolueno en al intervalo de ebullición de sus mezclas binarias a 760 mmHg son los siguientes: Temperatura (ºC)
80
85
90
95
100
105
110
P Benceno (mm Hg)
757,4
881,6
1021
1177
1351
1545
1759
P Tolueno (mm Hg)
290,7
344,6
406,4
476,7
556,2
646,0
746,9
Establecer las composiciones de equilibrio de la mezcla a 760 mmHg.
Relación Analítica entre las composiciones de equilibrio de la mezcla. T = 95 °C PA = 1177 mm Hg PB = 476,7 mm Hg P = 760 mm Hg xA = 0,405 yA = 0,627
AB
= PA/ PB
Cuadro 1: Sistema Benceno-Tolueno T
Presión (mm Hg)
XA
(°C) Benceno
Tolueno
(A)
(B)
YA
XB
YB
AB
80
757,4
290,7
1,000
1,000
0,000
0,000
85
881,6
344,6
0,774
0,897
0,226
0,103
2,558
90
1021
406,4
0,575
0,773
0,425
0,227
2,512
95
1177
476,7
0,405
0,627
0,595
0,373
2,469
100
1351
556,2
0,256
0,456
0,744
0,544
2,429
105
1545
646
0,127
0,258
0,873
0,742
2,392
110
1759
746,9
0,013
0,030
0,987
0,970
2,355
yA
Figura 1: Sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0
0,2
0,4 xA
0,6
0,8
1,0
DESTILACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS
Destilación Simple Destilación abierta o diferencial
La composición en el destilador cambia con el tiempo.
dL = Vaporizándose X = Composición Líquido Inicial
V Moles de vapor (y)
(X-dX) = Composición cambia (LdL) = Cantidad cambia BALANCE MATERIA Moles ingreso = Moles acumuldos + Moles salida
XL X dX L dL Yd L XL = XL – xdL – LdX + dxdL + ydL
L Moles de líquido (x)
dL dX L YX d L1 L L
2
L
X
L LN
1
L
1
X
2
dX YX
--- (1)
2
Solución Gráfica
1 vs X
Área bajo la curva
YX
Límites X1 y X2
1
Y X
Área
X
2
X
1
X
Curva de Equilibrio da la relación entre “Y”, “X” Composición promedio total del material destilado
Yprom
L1 X1 L2 X 2 L1 L2 Yprom
Destilación cerrada o súbita
Operación en el diagrama de equilibrio
ALAMBIQ UE
COMPONENTES ANALIZADOS Metanol Furfural Alcoholes Superiores Acido acético Acetaldehido
ELABORACIÓN DEL VINO A PARTIR DE:
1. MOSTO con ORUJOS (CO) 2. MOSTO SIN ORUJOS (SO) MUESTRAS RECOLECTADAS Durante el proceso de destilación 17 fracciones de destilado
PRODUCTOS DE RECOLECCIÓN (teoría) CABEZA (chicarrón) CUERPO 40 – 50 °GL COLA 10 °GL
METANOL PRESENCIA DE ORUJOS DURANTE LA FERMENTACIÓN INFLUYE DE MANERA SIGNIFICATIVA
ESTERES
NO AFECTA LA PRESENCIA DE ORUJOS
ACETALDEHIDO Y ALGUNOS ALCOHOLES SUPERIORES
SE ENCUENTRA EN MAYOR CANTIDAD EN EL DESTILADO DE VINO OBTENIDO SIN ORUJO
PROCESO DE DESTILADO METANOL
CUERPO
CABEZA
COLA
>
<
<
ALCOHOLES SUPERIORES Y ACETALDEHIDO
>
FURFURAL Y ISOPROPANOL ACIDO ACETICO
> >>
<
>
Flujo del proceso para una torre fraccionadora conteniendo artesas o platos casquete de burbujeo Agua de enfriamiento
Condensador
Vapor
Producto superior (destilación)
Reflujo
Líquido
Alimentación
Plato de burbujeo o etapa
Vapor Hervidor
Vapor
Vapor de agua Líquido Producto líquido de fondos
DESTILACIÓN CON REFLUJO Y METODO DE Mc CABE THILE
Sección de
enrequecimiento
Destilac ón D, XD
Alimentación F, XF
Sección de empobrecimie nto Residuos W,XW
Separación:
Volatilidades relativas de los componentes El número de etapas de contacto y de la razón de reflujo
BALANCE GENERAL F= D + W Balance del componente A : F.XF = D.XD + W.XW
SECCION DE ENRIQUECIMIENTO
L1
L XD X1 Y1 Yn
Ln
Xn
Y n+1
Destilacón D, XD
Vn+1 = Ln +D Vn+1.Yn+1 = Ln.Xn + D.XD D.XD Ln Yn+1= Vn+1 .Xn+ Vn+1
Ln R Vn+1 = R+1 pendiente
R = Ln / D razón de flujo
Yn 1
R R 1 .Xn
X D
R 1
SECCION DE EMPOBRECIMIENTO
WXW Vm 1
q
Hv H
F
Hv HL
CALCULO DE LAS CONDICIONES DE ALIMENTACION
HV es entalpía de alimentación al punto de rocío HL es entalpía de alimentación al punto de ebullición HF es entalpía de alimentación a la entrada
q
Hv H
F
Hv HL
Si : q = 0, la alimentación es vapor en su punto de ebullición q = 1, la alimentación es líquido en su punto de ebullición q > 1, la alimentación es líquido frío q < 0, la alimentación es vapor sobrecalentado 0 < q <1, la alimentación es liquido más vapor HV – HL = calor latente = 32099 KJ/mol Kg HV – HF = (HV – HL) + (HL – HF) HL – HF = CpL.(TB – TF) TB es la temperatura del punto de ebullición de alimentación TF es la temperatura de entrada de la alimentación Cp L es la capacidad calorífica de alimentación líquida
Localización de la línea q para diferentes condiciones de alimentación: líquido por debajo de su punto de ebullición (q > 1), líquido a su punto de ebullición (q = 1), líquido + vapor (0 < 1 < 1), vapor saturado (q = 0)
EFICIENCIA DE LA DESTILACIÓN (E)
E = Número de platos ideales Número de platos reales
El número de etapas teóricos (NET ) = Número de platos teóricos + HERVIDOR El número de etapas teóricos se obtiene del gráfico de McCabe Thile Por ejemplo si NET = 8 , quiere decir que se tiene 7 platos teóricos más un hervidor. Ahora si la E = 80%, el número de etapas reales sería = 7/0,8 = 8,75
EJEMPL O