Conceptos claves de fraccionamiento por zoraida carrasquero

$: Conceptos claves de fraccionamiento por zoraida carrasquero$
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.


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


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


• 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


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


• Accesorios de la torre: platos y empaques

Platos.


Platos.

Paso del flujo de vapor en diferentes platos: a) platos de copas


Paso del flujo de vapor en diferentes platos: a) platos de copasde burbujeo; b) plato perforado; c) plato de válvula.

Empaques


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


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.


Tipos de Rehervidor


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


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


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)


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


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


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).


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


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.

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• 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.

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• PERRY R., H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. (1998). Manual del IngenieroQuimico. Sexta Edición. Editorial McGraw Hill

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