destilacion y método ponchon

MARIA ISABEL MEJIA

* Cuando la mezcla a separar comprende especies que difieren ampliamente en su tendencia a vaporizar y condensar, las operaciones de vaporización flash o de condensación parcial pueden resultar adecuadas para alcanzar la separación deseada. * Después de la T.M. T.M. la fase vapor se enriquece con respecto a las especies que son más volátiles, mientras que la fase líquida se enriquece en las especies menos volátiles. volátiles. * Cuando las diferencias de volatilidad no son suficientemente grandes, la vaporización flash o la condensación parcial resultan insuficientes.

Separación insuficiente

Destilación

* La destilación consta de múltiples contactos entre las fases de líquido y vapor. Cada contacto consiste en la mezcla de dos fases para producir la distribución de las especies, seguida de la separación de las fases. * Los contactos se realizan frecuentemente sobre platos horizontales ó etapas dispuestos en una columna vertical. * A medida que el vapor avanza hacia la cabeza de la columna se enriquece progresivamente en las especies más volátiles.

Separación insuficiente

Destilación

* La destilación consta de múltiples contactos entre las fases de líquido y vapor. Cada contacto consiste en la mezcla de dos fases para producir la distribución de las especies, seguida de la separación de las fases. * Los contactos se realizan frecuentemente sobre platos horizontales ó etapas dispuestos en una columna vertical. * A medida que el vapor avanza hacia la cabeza de la columna se enriquece progresivamente en las especies más volátiles.

Equilibrios Operación en una sola etapa Destilación Fraccionada

Destilación

Método de Ponchon y Savarit Método de McCabe-Thile

Equipo de contacto continuo (Torres Empacadas)

Equilibrios a presión constante Equilibrios a temperatura constante Soluciones ideales. La ley de Raoult Equilibrios

Diagramas Entalpía - Concentración

Volatilidad Relativa Equilibrios a presión constante

Presión aumentada

-Una mezcla en la curva inferior (punto D), es un líquido saturado. -Una mezcla en la curva superior, (punto F ), ), es un vapor saturado. -Una mezcla en E es una mezcla de dos fases, que consta de una fase líquida de composición D y una fase vapor de composición F , en proporción tal que la composición promedio de toda la mezcla es E.

Equilibrios a presión constante

Volatilidad Relativa

En las operaciones de separación vapor-líquido, un índice de la separabilidad relativa de dos especies químicas viene dado por la volatilidad relativa (ó factor de separación) 

Volatilidad Relativa

El número de etapas teóricas que se requiere para separar dos especies hasta un grado deseado depende de . Cuanto mayor sea el valor de , mayor será el grado de separación. Cuanto mayor es el alejamiento de la  con respecto del valor unidad, menor es el número de etapas de equilibrio que se requieren para un determinado grado de separación. •

•

•

•

Cuando  = 1.0, la separación no es posible

Equilibrios a presión aumentada

La volatilidad relativa y separabilidad, generalmente menores a presiones elevadas Presión crítica

la son

a presiones mayores, las secciones a presión constante se intersecarán a temperaturas temp eraturas mayores. mayores. 

* Las curvas se vuelven más cerradas * La volatilidad relativa y la separabilidad, son menores

a presiones elevadas

Equilibrios a presión aumentada

La volatilidad relativa y separabilidad, generalmente menores a presiones elevadas Presión crítica

la son

Presión crítica * Cuando se supera la presión crítica deja de existir la distinción entre el vapor y el líquido para ese componente y para mezclas. * Las curvas anilladas se vuelven mas cortas. * Para el componente A, la presión crítica se alcanza a la Pt3. * Las separaciones por destilación solo pueden realizarse en la región en que exista una curva anillada.

Presión crítica * En sistemas particulares, la presión crítica de la sustancia menos volátil puede alcanzarse antes que la presión crítica de la sustancia más volátil. * A composiciones intermedias, la superficie doble de la figura en recuadro verde, se puede extender ligeramente más allá de las presiones críticas para cualquiera de las sustancias.



Equilibrios a temperatura constante

Equilibrios Los datos de equilibrio líquido-vapor, se determinan

experimentalmente (excepto en el caso de algunas soluciones ideales y regulares). Existen descripciones de métodos experimentales,

listas de datos y referencias bibliográficas.



Equilibrios a presión constante

Equilibrios a temperatura constante

Soluciones ideales. La ley de Raoult

Equilibrios


Definición Desviaciones positivas del comportamiento ideal Desviaciones negativas del comportamiento Ideal Mezclas con punto de ebullición mínimo (Azeótropos) Mezclas con punto de ebullición máximo (Azeótropos) Miscibilidad parcial de líquidos

Soluciones ideales. La ley de Raoult Definición Para una solución ideal, la presión parcial en el equilibrio de un componente a una temperatura fija es igual al producto de su fracción mol en el líquido por su presión de vapor p cuando está puro a esta temperatura

Si la fase de vapor también es ideal, entonces:

Composiciones

Volatilidad

Para soluciones ideales es posible calcular los equilibrios totales vapor-líquido a partir de las presiones de vapor de las sustancias puras. 

Para presiones demasiado elevadas como para aplicar la ley de los gases ideales, se utilizan las fugacidades en lugar de las presiones. 

Definición Desviaciones positivas del comportamiento ideal


Desviaciones negativas del comportamiento Ideal Mezclas con punto de ebullición mínimo (Azeótropos) Mezclas con punto de ebullición máximo (Azeótropos) Miscibilidad de líquidos

parcial

Desviaciones positivas del comportamiento comportamiento ideal * Para una mezcla cuya presión total es mayor que la calculada para el ideal, se dice que muestra desviación positiva de la ley de Raoult. * La mayoría de las mezclas pertenecen a esta categoría Las presiones parciales de cada componente son mayores que la presión ideal 

Cuando la concentración de cada componente se aproxima a la unidad en fracción mol, las presiones parciales para esa sustancia tienden tangencialmente al ideal. 

Desviaciones negativas del comportamiento Ideal Cuando la presión total de un sistema en el equilibrio es menor que el valor ideal se dice que el sistema se desvía negativamente de la ley de Raoult

Desviaciones negativas del comportamiento Ideal Las presiones parciales de cada componente son menores que la presión ideal 

Cuando la concentración de cada componente se aproxima a la unidad en fracción mol, las presiones parciales para esa sustancia tienden tangencialmente al ideal. 




parcial

Definición Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro (un solo componente)

azeótropo o mezcla con punto de ebullición constante

Punto de ebullición

Punto de ebullición

Mezclas con punto de ebullición mínimo (Azeótropos)

Azeotropismo Azeotropismo de punto punto de ebullición: ebullición: mínimo en el sistema disulfuro de carbono-acetona. (Izquierda) A T° constante; (Centro ) y (derecha) a presión constante. → En C: el vapor en el equilibrio (E) está más enriquecido con la sustancia más volátil volátil que el líquido (D). En F: el vapor en el equilibrio (G) es menos rico en la sustancia volátil volátil que el líquido (H)

 En el sistema Etanol-Agua, el azeotropismo desaparece a presiones

menores de 70 mm Hg

Mezclas con punto de ebullición máximo (Azeótropos)

Azeotropismo Azeotropismo de punto de ebullición: máximo en el sistema acetona acetona cloroformo. (Izquierda) A T° constante; (Centro ) y (derecha) a P. cte.




parcial

Miscibilidad parcial de líquidos Una mezcla líquida de composición L, que produce un vapor de la misma composición, se llama heteroazeotropo

Si la presión fuera lo suficientemente alta para que no hubiese evaporación, las curvas de solubilidad del líquido continuarían a lo largo de las líneas punteadas



Diagramas Entalpía - Concentración * Sirve para graficar equilibrios binarios * Son de gran utilidad para realizar balances de materia y energía en procesos de destilación, cristalización, y en todos los tipos de problemas relacionados con el mezclado y la separación. * La entalpía de solución del líquido incluye tanto el calor sensible como el calor de mezclado

HL = Mav CL (tL – t0) + ∆Hs calor sensible

calor de mezclado

Hmezcla = xA.∆HA + xB.∆HB + ∆Hmezclado calor sensible

calor de mezclado

H representa la entalpía molar de la corriente en su concentración y condición particular.


calor de mezclado


calor de mezclado

MAV: masa promedio de la solución, mol CL: Capacidad calorífica de la solución, energía/mol °C t0: Temperatura de referencia ó temperatura base ∆Hs: Calor de disolución en t0. Si se desprende calor durante el mezclado, ∆Hs será negativo; negativo; para las soluciones ideales es cero. Para líquidos saturados, tL es el punto de burbuja correspondiente a la concentración del líquido a la presión predominante.  Es conveniente referir todas las entalpías a la condición de disolvente líquido puro, gas diluyente puro (o disolvente) y soluto puro a la temperatura de referencia t0 Así, a cada sustancia se asigna una entalpía cero para su estado normal de agregación en t0 y 1 atm de presión. 


calor de mezclado


La ecuación mejor escrita

HL = XA CpL,A (tL – t0) + XB CpL,B (tL – t0) + ∆Hs

Entalpía de solución del líquido

calor de mezclado

* La entalpía del vapor saturado se calcula suponiendo que los líquidos sin mezclarse se calientan por separado como líquidos a la temperatura del gas t G tG es el punto de formación del rocío  Los líquidos se evaporan a cada una de estas temperaturas y

luego los vapores se mezclan

A,

= calores latentes de evaporación de las sustancias puras en t G , energ/mol. CL,A, CL,B = capacidades caloríficas de los líquidos puros, energía/mol °C. B

La ecuación mejor escrita

HG = YA [λ A + CpA (tG – t0)] + (1 - YA) [λ B + CpB (tG – t0)]

Entalpía de solución del vapor

Gráfico Entalpía - Concentración * En la parte superior (línea superior) se tienen las entalpías de los vapores saturados en sus puntos de formación de rocío VS. y; las entalpías de los líquidos saturados (línea inferior) se grafican en sus puntos de formación de burbuja VS. x. *El calor necesario para evaporar completamente la solución C es H D – H c energía/mol solución * Los líquidos y vapores en el equilibrio pueden unirse mediante líneas de unión, como la línea EF * Las distancias verticales entre las dos curvas a x = 0 y 1 representan los calores latentes molares de B y A respectivamente.

Gráfico Entalpía - Concentración * La composición de un líquido y un vapor en equilibrio son distintas, por eso se las une por medio de una línea de unión. Estas líneas son verticales para los componentes puros (ya que composición del líquido = composición vapor) * Tienen una cierta inclinación dentro del diagrama (las composiciones del líq. y el vapor son distintas). * El punto G representa la línea de unión EF * Cuando se proyectan otras líneas de unión hasta la curva xy, dan como resultado la curva de distribución completa en el equilibrio.


Destilación



Operación en una sola etapa Evaporación instantánea * La evaporación instantánea, también conocida como destilación en el equilibrio, destilación flash, destilación instantánea o evaporación evaporación flash. * La mezcla líquida se vaporiza parcialmente, ya sea por una reducción de presión y/o por un calentamiento. * Se permite que el vapor establezca un equilibrio con el líquido, y entonces se separan las fases de vapor y de líquido. * Se puede hacer por lotes o en régimen continuo.

Evaporación instantánea

Balance de masa F=D+W FZF = DYD + WXW Balance de entalpía FHF + Q = DHD + WHW

Resolviendo las ecuaciones simultáneamente, se tiene

Evaporación instantánea

Los puntos de coordenadas: (HD, YD) representa a D (HW, XW) representa a W (HF + Q/F, ZF): mezcla de alimentación después de abandonar el intercambiador intercambiador de calor Todas las operaciones de una sola etapa tienen pendiente negativa negativa W´ y D´ sería para comportamiento ideal •

•

Condensación parcial * Denominado también condensación Flash ó condensación instantánea * En una condensación instantánea, una alimentación de vapor se enfría y se condensa parcialmente, parcialmente, separando las fases en un tanque para dar lugar a un líquido que es más rico en el componente menos volátil.

Condensación parcial * Se emplea las mismas ecuaciones que para la evaporación instantánea instantánea solo que:  La mezcla alimentada es un vapor

negativo, ya que corresponde al calor eliminado  El calor Q se toma negativo, en el intercambiador de calor para producir la condensación incompleta.

CONSIDERACIONES PARA LAS OPERACIONES DE UNA SOLA ETAPA  En ambas operaciones, evaporación y condensación instantánea,

puede haber un gran acercamiento al estado de equilibrio si el equipo es diseñado adecuadamente. adecuadamente. Por esta razón, razón, los cálculos se llevan a cabo bajo la consideración de que las corrientes que salen del tanque separador están en equilibrio.

 El grado de separación alcanzado en este tipo de operaciones es muy pobre, excepto cuando la diferencia en los puntos de ebullición de las sustancias involucradas involucradas es muy grande.

 Usualmente la evaporación instantánea es una operación auxiliar, previa a otras operaciones de separación más completas.


Destilación



DESTILACIÓN FRACCIONADA Cuando se requiere un grado de separación alto, las corrientes corrientes de salida de un tanque de destilación instantánea deberían someterse a sucesivas etapas de separación para enriquecerse en los componentes deseados.



Esto implicaría etapas sucesivas de evaporación de la corriente líquida y condensación del vapor



DESTILACIÓN FRACCIONADA

*Operación de destilación a contracorriente contracorriente en varias etapas. * Método de separación con alta pureza * Método más usado

Características Características Destilación Fraccionada

* Zona o sección de la torre por encima del punto de alimentación, se le llama sección de absorción ó de enriquecimiento ó de rectificación * Zona por debajo del punto de alimentación se llama zona de desorción ó agotamiento ó empobrecimiento * Reflujo, es el líquido devuelto a la torre por la parte superior

Características Características Destilación Fraccionada * Destilado: V ó L, material que se retira permanentemente y está enriquecido con el componente más volátil

* Residuos, fondos o colas: Líquido eliminado, enriquecido con el componente menos volátil

Balances Destilación Fraccionada

sección de enriquecimiento

Torre de destilación fraccionada completa

Sección de agotamiento

Equilibrios

Operación en una sola etapa Destilación Fraccionada

Destilación

Método de Ponchon y Savarit Savarit Método de McCabe-Thile

Sección de enriquecimiento Sección de agotamiento agotamiento

La torre de destilación fraccionada completa

Equipo de contacto continuo (Torres Empacadas) Otros parámetros

Sección de enriquecimiento

Método de Ponchon y Savarit



Otros parámetros

Balance de materia total Balance de materia por componente


Balance de entalpía, entorno III Relación de reflujo interno Punto de diferencia Gráfico de entalpía-concentración entalpía-concentración

Sección de enriquecimiento enriquecimiento Balance de materia total

Gn+1 = Ln + D

(1)

Balance de materia por componente

Gn+1 yn+1 = LnXn + D ZD Gn+1 yn+1 - LnXn = D ZD

(2)

Balance de entalpía, entorno III

Gn+1 HGn+1 = Ln HLn + Q C + D HD (3) Se considera despreciable la pérdida de calor

Sección de enriquecimiento enriquecimiento Sea:

Q´ = (DHD + Q C) / D

(4)

Gn+1 HGn+1 - Ln HLn = DQ´ (5) Sustituyendo el valor de D de la ecuación (1) en (2) y (5), y despejando Ln/Gn+1 se tiene:

Relación de reflujo interno

Sección de enriquecimiento enriquecimiento La relación de reflujo interno representa una línea recta en el diagrama entalpía-concentración, Hxy. La línea recta pasará por los puntos (Xn, HLn) (Yn+1, Gn+1) y (yD, Q’). El punto (yD, Q’) se denomina punto de diferencia y se simboliza con ∆D. En el diagrama x,y la relación de reflujo permite graficar la curva de operación para la zona de enriquecimiento Punto de diferencia

Gráfico de entalpía-concentración Recordar que las líneas de unión cuando se proyectan hacia abajo, producen la curva de distribución del equilibrio

El punto de diferencia ∆D se utiliza de esta forma para todos los platos en la sección enriquecedora y se trabaja en forma descendente hasta alcanzar el plato de alimentación





Otros parámetros

Balance de materia total Balance de materia por componente


Balance de entalpía, entorno IV Relación L/G Punto de diferencia Gráfico de entalpía-concentración entalpía-concentración

Sección de agotamiento agotamiento Balance de materia total

Balance de materia por componente

Balance de entalpía, entorno IV

Relación L/G

Punto de diferencia

Gráfico Gráfico de entalpía-concentración entalpía-concentración

Construcción de los puntos de la curva de operación





Otros parámetros

Balance de entalpía, entorno II Balance completo de entalpía


Relación D/W Mezcla de alimentación: F Gráfico Gráfico de entalpía-concentración entalpía-concentración

Torre de destilación fraccionada completa Balance de materia entorno II

F= D+W F ZF = D ZD + W Xw Balance completo de entalpía

F HF = D Q´ + W Q´´ Relación D/W

Mezcla de alimentación: F

F = ∆ D + ∆w Gráfico entalpía-concentración entalpía-concentración

- Las curvas de operación se intersecan en M, con base en la línea ∆DF∆w - La mezcla de alimentación se introduce en el plato cuyo paso indica el punto M

D1

R

A1 LA1

V1,1

O

D

H/h

D2

y

c =x

x

z

y





Otros parámetros

Localización del plato de alimentación

Otros parámetros

Relación de reflujo

Localización del plato de alimentación -La mezcla de alimentación se introduce en el plato cuyo paso indica el punto M -Si la mezcla de alimentación es líquida, se introduce encima del plato, de forma que entre al plato junto con el líquido del plato superior. -Si la mezcla de alimentación es vapor, se introduce por debajo del plato de alimentación. -Si la mezcla de alimentación es una mezcla de líquido y vapor, se deberían separar e ingresarlos: la parte líquida arriba del plato de alimentación y la parte vapor por debajo. Rara vez se hace por razones económicas.


(a)

(b)

* La entrada retrasada (a) o adelantada (b) de la mezcla de alimentación ocasiona un cambio en la composición producido por cada plato (disminuye) y se produce un adelgazamiento  incrementando el número total de platos * Se utiliza sólo en los casos en que la torre ya está equipada con una boquilla de alimentación asociada a un plato particular. particular.


Otros parámetros


Incremento Reflujo total

Relación de reflujo Relación de reflujo mínimo Relación de reflujo óptima


Al aumentar la relación relación de reflujo reflujo R = Lo/D : •

El numero de platos disminuirá,

Aumentan las superficies del condensador y del rehervidor •

La sección transversal de la torre se deben aumentar para acomodar cargas cargas mayores •


DD DD

 Al aumentar R, el DD se localiza

en valores mayores de Q’  Al aumentar R, se disminuye la

R

ubicación de Dw H/h

A1 LA1

V1,1

O

D

El numero de platos disminuye

... (diapositiva anterior)  las curvas de operación en el

diagrama xy se acerca a la diagonal de 45 ‘

Dw Dw

y

c =x

x

z

y



Reflujo Total *R= * Las curvas de operación coinciden con la línea a 45 ’ en la gráfica xy * Todo el destilado se devuelve en forma de reflujo al plato superior y volviendo a hervir el residuo  debe detenerse la alimentación a la torre



Relación de reflujo mínimo (Rm ) Rm

es la relación máxima que requerirá un número infinito de platos para lograr la separación deseada Corresponde a la carga térmica mínima del rehervidor y de enfriamiento del condensador para la separación





Relación de reflujo óptima

-Cualquier relación de reflujo entre el mínimo y el infinito proporciona una separación de los componentes - El número de platos teóricos variará desde lo infinito hasta el número mínimo

Relación de reflujo óptima

- La determinación del número de platos a distintos valores de R, junto con los valores limitantes de Nm y Rm, permite graficar toda la curva con suficiente exactitud - El sistema de coordenadas permite ubicar fácilmente los puntos finales de la curva cur va y evitará las incómodas asíntotas asíntotas

Relación de reflujo más económica

ut ilizarse para un nuevo diseño  La relación de reflujo que debe utilizarse debe ser la óptima, o la relación de reflujo más económica (el costo es mínimo).  En la relación de reflujo mínima (R m): la columna requiere un

número infinito de platos, por tanto el costo fijo es infinito, pero son mínimos los costos de operación (calor para el rehervidor, agua de enfriamiento del condensador) Costo anual

 Un

R alto conlleva a una disminución del número de platos, pero el diámetro de la columna crece debido a las cantidades mayores de líquido y vapor recirculados

Ejemplo

destilacion y método ponchon

Recommend Documents