INTRODUCCIN

Operaciones Unitarias III(IQ-821)DESTILACINEquilibrio L - VEn un sistema lquido-vapor, existe un paso continuo de molculas de la superficie del lquido al espacio libre sobre l. Al mismo tiempo se da el proceso contrario.

Ambos procesos se llevan a cabo con velocidades de transferencia que van cambiando con la concentracin, hasta que llegan a ser iguales.

La presin que ejerce el vapor sobre el lquido es conocida como la presin de vapor del componente.

a = vapor sobrecalentado

b = lquido subenfriado

c = lquido saturado

d = vapor saturado

e = mezcla lquido-vapor

Equilibrio del benceno-tolueno a 101,3 [kPa]

Recordar que a la lnea inferior se le conoce como lnea de burbuja, mientras que a la lnea superior como lnea de roco.

Para una cierta temperatura, las composiciones de la fase lquida y vapor en el equilibrio estn dadas por los puntos c y d del diagrama anterior.

Cualquier punto por sobre la lnea superior es completamente gaseosa, en tanto que cualquier punto por bajo la lnea inferior es completamente lquida.Casos en que slo se disponen de datos de vapor

Mezclas azeotrpicas

Mezclas azeotrpicas

Las mezclas que poseen un punto azetropo pueden no separarse, debido a que las fases se separan slo cuando las composiciones en ambas fases del mismo componente, son diferentes.

Debido a lo anterior, no es posible separar una mezcla, por ejemplo, desde la izquierda del punto de ebullicin a la derecha del mismo, y viceversa.

Cuando se modifica la presin, el diagrama completo cambia, y por lo general las composiciones de las fases a la salida son diferentes.Operacin de destilacinLa destilacin es un proceso de separacin que pone en contacto dos fases en forma continua, una lquida y una de vapor.

Para llevar a cabo la separacin, se utiliza la diferencia en las volatilidades relativas y en las temperaturas de ebullicin.

Es utilizado para concentrar mezclas y purificar aquellas que posean componentes voltiles.Equipos de destilacin

Equipos de destilacin

Los sistemas de destilacin se componen esencialmente de la columna, un hervidor y un condensador.

El hervidor generar vapor, el cual entra por la parte inferior de la columna y ascender por ella, entrando en contacto con el lquido.

El condensador pasa al estado lquido total o parcialmente la fase gaseosa que sale por la parte superior de la columna. Debido a esto, el condensador puede ser total o parcial.Si el condensado es total, D es lquidoSi el condensado es parcial, D es vaporEl reflujo que regresa a la columna siempre es lquido y descender por la columna, en contacto con la fase vapor que asciende.

En la zona de enriquecimiento, la fase vapor ve aumentada su composicin en el componente ms voltil a medida que asciende

En la zona de empobrecimiento, la fase lquida ve disminuida su composicin en el componente ms voltil a medida que desciende.Componentes del sistemaHervidor: Caldern o Ebullidor, es un intercambiador de calor. Proporciona a la columna el calor necesario para mantener las fases en su estado saturado.

Clases: Uso de chaquetas de calentamientoIntercambiador tubular internoIntercambiador tubular externo

Segn su principio de funcionamiento

Condensador: Es un dispositivo que funciona como intercambiador de calor. La fase vapor que sale por la parte superior de la columna pasa al estado lquido, por lo que es necesario un flujo lquido.

Acumulador del reflujo: Es un dispositivo que funciona como contenedor del flujo lquido que proviene del condensador, aunque no tiene el fin exclusivo de contener el destilado, sino que posee una holgura que permite que el sistema siga funcionando an cuando existan problemas de funcionamiento.

Por lo general el condensador y el acumulador del reflujo se ubican en la parte superior de la columna, arriba del plato superior.

Generalmente las columnas de destilacin son de platos.

Platos perforados

Columna de platos

Operacin en una sola etapa

La mezcla entrante debe previamente calentarse para ingresar a la columna, utilizando un intercambiador de calor.

Se necesita una presin relativamente menor si la sustancia a separar es muy voltil en relacin a la otra sustancia, comnmente no voltil.

A partir del esquema anterior se establecen los balances de masa y energa de la columna.Platos de equilibrio (parte superior de la columna)

La corriente de lquido desciende y se le denota L.

La corriente de vapor asciende y se le denota G.

El subndice de las corriente efluentes ser siempre de la etapa de la que sale.

Cada etapa funciona a una temperatura y presin especficos.

L0 es el reflujo que proviene del condensador.ltimo plato (parte inferior de la columna)Al plato inferior se le conoce como Np, y denota el nmero de platos tericos necesarios.

La corriente GNp+1 es el vapor proveniente del hervidor.

Np-1 indica la etapa anterior.

Np+1 indica la etapa siguiente (esto quiere decir que el hervidor cuenta como etapa terica).

Asumiendo que en todos los platos se produce la separacin hasta llegar al equilibrio:

x1 > x2 > x3 > > xNp

(L se empobrece)

y1 < y2 < y3 < < yNp

(G se enriquece)Los balances de masa en una columna de destilacin se consideran segn 3 secciones

Seccin de enriquecimientoSeccin de empobrecimientoColumna completaSeccin enriquecimiento

Seccin empobrecimiento

Mtodo de McCabe-ThieleEs un mtodo utilizado en la destilacin binaria (dos componentes) para analizar y obtener los parmetros importantes como el nmero de etapas y los balances en cada uno de ellos.

Para la obtencin de dichos parmetros se necesita la siguiente informacinEstado de la alimentacin.Naturaleza del condensador (total o parcial).Datos ELV.Mltiplo del reflujo a utilizar.Composiciones requeridas en destilado y fondos.

Con este mtodo, puede obtenerse:

Nmero de pisos (platos) necesarios.El nmero mnimo de platos.El plato ptimo de alimentacin.Reflujo mnimo.El nmero de platos reales en caso de conocerse la eficiencia de los mismos, con Nreal=N/

Nota: Siempre el hervidor se considera como etapa terica y debe descontarse de las etapas obtenidas.

En el caso de que el condensador sea parcial, tambin debe descontarse de las etapas obtenidas, no siendo as si el condensador es total

En resumen, si el condensador es:

Total Platos: Etapas 1

Parcial Platos: Etapas 2

Si existe una eficiencia, sta se aplica a los platos.Si en el problema nada se dice del condensador, ste se asume como total.

Posibles inclinaciones de la lnea q

Procedimiento:

Graficar equilibrioUbicar las composiciones XF, XD, XWTrazar lnea qTrazar lnea de enriquecimientoTrazar lnea de empobrecimientoTrazar escalones y determinar etapas reales si correspondeSuponiendo que la alimentacin entrante es mezcla

Trazar la lnea de operacin de enriquecimiento

Trazar la lnea de operacin de empobrecimiento

Trazar los escalones

Para determinar el nmero mnimo de platos necesarios, se necesitan slo las composiciones del destilado y el residuo (reflujo total).

Ejercicio 1: En una columna de rectificacin a marcha continua se trata una mezcla cloroformo-benceno de composicin 0,55 en cloroformo. Se desea obtener un producto destilado de composicin 0,94 y un producto de colas de composicin 0,08. Todas las composiciones son molares. Determinar.:a) El nmero mnimo de platos tericosb) La composicin del lquido en el tercer plato, si la columna trabaja de tal modo que retornan 3 moles de reflujo por cada mol de destilado.c) El nmero de platos tericos necesarios y la posicin del plato de alimentacin, si la misma entra en forma de vapor saturado y se emplea la razn de reflujo indicada en b)

xyxyxy000,350,48480,70,83430,050,0630,40,54880,750,87070,10,130,450,60520,80,90470,150,20060,50,65860,850,93290,20,27220,550,71020,90,95720,250,34270,60,75580,950,97940,30,41460,650,796611Ejercicio 2: Una mezcla equimolar heptano-octano entra como plato de alimentacin intermedio en una columna de rectificacin que trabaja a la presin de 1 atm. Se desea un producto destilado que contenga 98% en moles de heptano y un producto de colas que slo ha de contener un 5% en moles de heptano. La alimentacin entra a la columna a su temperatura de ebullicin. El vapor procedente del piso 1 entra en el condensador total y una parte del condensado vuelve a la columna a su temperatura de condensacin y otra sale como producto destilado, de modo que la relacin entre el lquido que retorna y el vapor que llega es R = . Determine el nmero de pisos necesarios y la posicin del plato de alimentacin. Los datos de equilibrio se muestran a continuacin.

t [C]xyt [C]xy125,60,0000,0001100,4950,6811240,0390,0781080,5690,7431220,0970,1841060,6470,8011200,1560,2821040,7330,8621180,2200,3751020,8240,9121160,2840,4501000,9220,9631140,3520,54198,41,0001,0001120,4210,613Solucin: Se realiza en primer lugar el balance de masa a la columna

Tomando una base de 100 mol de mezcla:

Global D + W = 100Heptano 0,98*D + 0,05*W = 100*0,5

Al resolver se llega a D = 48,39 mol y W = 51,61 mol

La cantidad de etapas del sistema es de 12.

Descontando el hervidor, la cantidad de platos que debe tener la columna es de 11.

El ejercicio debi resolverse segn las ecuaciones de ambas L de O, ya que se informa del estado de la alimentacin.

Una observacin importante es que el mtodo de McCabe & Thiele supone flujos de lquido y vapor constantes en cada uno de los platos, aunque en la prctica estos valores van cambiando entre platos.