República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Universidad Nacional Experimental

“Rafael maría Baralt” PIG Cátedra: Fraccionamiento

Destilación Binaria y Ternaria

Integrantes:

Barros César C.I.: 20282777

García Ligia C.I.: 20944476

Hernández Carlos C.I.: 18430448

Los Puertos de Altagracia. Junio 2012

INTRODUCCIÓN

El Fraccionamiento como ciencia circunspecta se plantea al estudiante de Ingeniería de Gas como una de las más importantes, como un estudio fundamental sobre el cual debe ahondar sus conocimientos.

Teniendo la destilación como su principal técnica de operación, el Fraccionamiento es un campo en el que los estudiantes debemos enfocarnos con especial atención, ya que el estudio del Fraccionamiento del Gas Natural es tan importante como todos los procesos que estudiamos, sino más.

Este trabajo está delimitado en la exposición de conceptos, estudio matemático, presentación y/o explicación de distintos procesos de separación por destilación binaria y ternaria (proceso matriz del Fraccionamiento en la industria del Gas Natural) haciendo uso de diferentes fuentes bibliográficas.

Destilación y conceptos básicos

La destilación es la operación que nos permite separar mediante vaporización y condensación los diferentes componentes líquidos y/o sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.

El punto de ebullición es la temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a estado gaseoso. Es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido, depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia.

Azeótropo 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 (como si fuese un solo componente).

Propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.

Propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, son magnitudes cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe. Estas magnitudes pueden ser expresadas como la suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas que formen el sistema original.

¿Cómo varía el punto de ebullición con respecto a la presión? A mayor Presión, a las moléculas líquidas les cuesta más trabajo pasar a la fase gaseosa, es decir, conforme aumente la presión, aumentará el punto de ebullición.

Tipos de destilación

Destilación simple: Los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los calienta y condensa. En esta operación se pueden separar sustancias de una diferencia entre 100 y 200 grados Celsius. También se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido o 2 líquidos que tengan una diferencia mayor de 50°C en el punto de ebullición.

Destilación fraccionada: Se usa para separar componentes líquidos que difieren en menos de 25º en su punto de ebullición. Cada uno de los componentes separados es denominado fracción.

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden, junto con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben).

Destilación al vacío: Consiste en generar un vacío parcial por dentro del sistema de destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición normal. Este tipo de destilación se utiliza para purificar sustancias inestables por ejemplo las vitaminas.

Destilación azeotrópica: es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanol-agua.

1. Introducción a la destilación binaria

La destilación es una técnica común para la separación de corrientes liquidas con dos o más componentes y es una de las operaciones unitarias más importantes en la industria química (Luyben, 1996).

Representa un difícil e interesante problema en el diseño de control no lineal, como resultado de la dinámica compleja y el equilibrio termodinámico que envuelve, la interacción entre las corrientes internas y externas, la alta no linealidad y el carácter distributivo representado por los perfiles de composición y temperatura (Gupta,2009).

En la gran mayoría de las industrias las columnas de destilación presentan esquemas de control lineal (Rovaglio, 1990), y en la actualidad son escasas las técnicas no lineales para el control de este tipo de procesos.

Método de McCabe-Thiele

Se considera el más simple y quizás el más ilustrativo para el análisis de la destilación fraccionada binaria. Este método usa el hecho de que la composición de cada plato teórico (o etapa de equilibrio) está totalmente determinada por la fracción molar de uno de los dos componentes del destilado.

El método de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de Rebose equimolar constante que exige que:

Los calores molares de vaporización de los componentes de la alimentación son iguales.

Para cada mol de líquido vaporizado se condensa un mol de vapor.

Los efectos del calor, tales como calores de disolución y la transferencia de calor hacia y desde la columna de destilación se consideran despreciables.

Proceso de destilación

La destilación es un proceso físico que sirve para separar una mezcla liquida en sus componentes. Cuando una mezcla liquida es vaporizada, el vapor tiene una composición diferente a la del líquido residual. En la parte superior de la columna el vapor es condensado y el producto líquido es llamado Destilado y el producto residual es llamado Fondos. En la Figura 1.1 se presenta un esquema básico del modelo de una columna de destilación.

Las columnas de destilación de platos convencionales, son las columnas más utilizadas a nivel industrial, en ellas el líquido y el vapor se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos, tal como se muestra en la Figura 1.2.

El líquido entra por la parte superior de la columna y fluye en forma descendente por gravedad, a través de todas las etapas bajando por un conducto a la etapa inmediatamente inferior.

El vapor sube pasando por los orificios de los platos, burbujeando en el líquido retenido para formar una espuma. Posteriormente el vapor se separa de la espuma y pasa al plato superior.

A lo largo de la columna se presenta un contacto múltiple a contracorriente entre el vapor y el líquido, y en cada etapa de contacto ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan (King, 1988; Treybal, 1981; Wankatt, 1988).

El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio de la columna depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y solo está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio termodinámico.

Por otra parte, el diámetro de la torre depende de las cantidades de líquido y vapor que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo (King, 1988, Wankatt, 1988).

Una vez que se ha determinado el número de etapas en el equilibrio o platos teóricos requeridos, el problema principal en el diseño de la torre es escoger las dimensiones y arreglos óptimos. La columna debe ser diseñada de forma tal que no exista arrastre de líquido por parte del vapor, evitando de esta forma la reducción de la concentración que se realiza mediante la transferencia de masa, y que la caída de presión no sea alta ya que esto conduce a inundaciones.

Si la torre queda inundada, la eficiencia de los platos disminuye a un valor muy bajo, el flujo del gas es errático y el líquido puede forzarse hacia la tubería de salida en la parte superior de la torre (Kister, 1992, Treybal, 1981).

La elevada profundidad del líquido en los platos proporciona mayores eficiencias en los platos por largos tiempos de contacto, pero a su vez esto causa una caída de presión alta en cada plato (King, 1988, Wankatt, 1988).

Dentro de los límites razonables, las altas velocidades de gas proporcionan un buen contacto líquido-vapor mediante dispersión excelente, pero ocasionan excesiva entrada del líquido al gas y una caída alta de presión.

A muy baja rapidez del líquido, el gas ascendente a través de los orificios del plato puede empujar al líquido hacia afuera, sin un buen contacto entre el gas y el líquido. Si el flujo del gas es muy bajo, parte del líquido caerá a través de los orificios del plato (lloriqueo) y puede alcanzar las tuberías descendentes (Holland and Liapis, 1981; Kister, 1992; Treybal, 1981).

Fig. 1.1 Modelo básico de una columna de destilación

Fig. 1.2 Sección esquemática a través de una torre de platos perforados

Fig. 2.1 Diagrama simplificado de destilación binaria

Fig. 2.2 Diagramas de sistemas binarios(Soluciones líquidas binarias ideales)Puntos de ebullición

Balance de masas en destilación binaria

Ecuaciones en el plato “n” (cualquiera)

Equilibrio de estados: Yn = αXn

1+Xn(α−1)

Rebalse: Ln = Mn−Moβ

+ L0

Balance total en el plato: dMndt

= Ln-1 – Ln

Balance del componente más volátil:

d (MnXn)dt

= Ln-1 . Xn-1 + Vyn-1 – LnXn – Vyn

Conjunto Base-Rehervidor

Equilibrio de estados: Yn = αXn

1+Xn(α−1)

Balance de masas con un controlador de nivel perfecto: MBO = cte

L1 = B + V MBOd (XB)dt

= L1X1 – VyB – VxB

B = L1 – V d (Xn)dt

= L1 X 1−Vyn−Bxn

M BO

Tambor de Reflujo

Balance de masas con un controlador de nivel perfecto:

V = R + D MDOd (Xn)dt

= VyNT – (R + D)XD

D = V – R d (XD )dt

= V (YNT−XD)

MDO

2. Destilación Ternaria o Multicomponente

La destilación como proceso de separación de mezclas líquidas

homogéneas es el más difundido a nivel industrial, ya que es el proceso de separación más estudiado, el más económico y por tanto, el más desarrollado tecnológicamente. El empleo de calor como medio de separación hace que el estudio de la destilación sea relativamente sencillo

La mayoría de los procesos de destilación a nivel industrial involucran mezclas de más de dos componentes. Es por esto que el desarrollo de métodos de diseño para torres de destilación es de gran importancia. En la actualidad existen métodos cortos o aproximados y métodos rigurosos disponibles para el diseño de columnas de destilación.La destilación es utilizada cuando el grado de separación lograda por una vaporización parcial o una condensación parcial en una etapa resulta inadecuado, debido a que las diferencias en volatilidades entre las especies de la mezcla de alimentación no es suficientemente grande. Se puede lograr una separación satisfactoria por medio de destilación multietapa, sin necesidad de añadir un agente de separación de masa.

La destilación involucra múltiples contactos entre las fases líquidas y vapor que fluyen en contracorriente. Cada contacto consiste en el mezclado de las dos fases para promover la rápida distribución de las especies por transferencia de masa, seguido de la separación de fases. Los contactos son a menudo hechos en platos horizontales en un arreglo vertical en una columna. El vapor, mientras fluye hacia arriba en la columna, se va enriqueciendo con las especies más volátiles. El líquido, por su parte, mientras fluye hacia abajo en la columna se enriquece con las especies menos volátiles. La alimentación a la columna de destilación se hace en un plato intermedio, casi siempre cerca de la parte media de la columna. La parte de la columna que se encuentra por arriba de la alimentación se denomina sección de enriquecimiento o de rectificación, y la parte por debajo de la alimentación es llamada sección de agotamiento.

El vapor de la alimentación asciende por la columna, mientras que el líquido desciende. El líquido es requerido para hacer contactos con el vapor de arriba del plato de alimentación, y el vapor es requerido para hacer contactos con el líquido por debajo de la etapa de alimentación. Frecuentemente, el vapor de la parte superior de la columna es condensado en un condensador con agua de enfriamiento o un refrigerante para proveer el líquido requerido para el contacto de fases, llamado reflujo. De manera similar, el líquido del plato inferior de la columna es enviado a un rehervidor, donde es calentado por vapor de condensación o algún medio de calentamiento, para proveer el vapor para el contacto, llamado boilup

Método Corto de Diseño Fenske – Underwood – Gilliland

El uso de métodos rigurosos ha ido ganando terreno en el diseño de

columnas simples, debido al uso de programas computacionales que disminuyen el tiempo de cálculo. A pesar de esto, los métodos aproximados siguen siendo empleados para diseño preliminar, estudios paramétricos para establecer condiciones óptimas y para el estudio de síntesis.

El método aproximado de diseño más utilizado es el de Fenske – Underwood – Gilliland (FUG). Éste supone volatilidades relativas, flujos molares constantes en la torre, pérdidas de calor despreciables, entre otras cosas. Para alimentaciones de mezclas multicomponentes, es necesario la especificación de dos componentes claves, su distribución en el fondo y en el domo de la torre, plato de alimentación, relación de reflujo y el perfil de presiones de la torre.

El método FUG, consta de las ecuaciones/correlaciones de:

a. Ecuación de Fenske Las ecuaciones de Fenske suponen que todo el vapor que sale de la etapa N es condensado y regresado a la etapa N como reflujo, así como todo el líquido que sale de la etapa 1 es vaporizado y regresado a la etapa 1 como boilup. Con esto se plantean los balances de materia por plato, obteniendo la expresión:

DondeNmin =es el número de etapas mínimasd= el flujo de destiladob= el flujo de fondosx= la composición,D= el destiladoB= los fondosLK= el componente clave ligeroHK= el componente clave pesadoa= La volatilidad relativa.

b. Ecuación de UnderwoodLas ecuaciones de Underwood calculan el reflujo mínimo si se tiene una

columna con etapas infinitas para lograr la separación. Como todos los componentes se encuentran presentes en la etapa de alimentación y se requieren varias etapas para reducir la composición de los componentes más pesados que el clave pesado, el pinch para estos componentes se encuentra unas etapas arriba que la etapa de alimentación. De forma similar, se requieren varias etapas para reducir la composición de los componentes más ligeros que el ligero, por lo que el pinch para estos componentes se localiza unas etapas abajo

de la etapa de alimentación.

Teniendo en cuenta lo anterior, se plantean las ecuaciones para estas zonas en términos de la volatilidad combinándolas con los balances de materia y la ecuación de condición térmica de la alimentación se obtiene:

y

Donde:Q= es la condición térmica de la alimentaciónF= la alimentaciónVmin= el flujo de vapormínimoRmin= la relación de reflujo mínimaf= Parámetro ajustable.

c. Correlación de Gilliland La correlación de Gilliland se emplea para el cálculo de etapas con reflujo

de operación.Como la relación de reflujo y el número de etapas deben ser mayores que los mínimos, estos parámetros pueden ser calculados si uno de ellos es fijado como un múltiplo, obteniendo el otro por medio de la correlación:

y

Donde R es la relación de reflujo, N el número de etapas.

d. Correlación de Kirkbride La correlación de Kirkbride es utilizada para la localización de la etapa de

alimentación óptima. Esto supone una distribución ideal de las zonas de rectificación y de agotamiento.La correlación es la siguiente:

Donde R es la zona de rectificación, S la zona de agotamiento.

Métodos Rigurosos de Simulación Para el diseño final de un equipo es necesaria la determinación rigurosa de

temperaturas, presiones, flujos de corrientes, composiciones, y transferencia de calor en cada plato. Esta determinación se hace resolviendo el balance de materia, el balance de energía y las relaciones de equilibrio para cada plato. Por desgracia, estas relaciones son ecuaciones algebraicas no lineales que interactúan fuertemente, por lo que los procesos de solución son complejos y tediosos. Sin embargo, cuando estos procedimientos son programados en computadoras, las soluciones son obtenidas en forma rápida. Es por esto que la simulación rigurosa ha ido adquiriendo gran importancia en la toma de decisiones para la elección de equipos.Existen diversos métodos de simulación rigurosa que resuelven los complejos sistemas de ecuaciones, entre ellos se encuentran los métodos de:

Punto de Burbuja, propuesto por Wang – Henke Corrección Simultánea, propuesto por Naphtali – Sandholm Inside – Out, propuesto por Boston – Sullivan

Ejemplo: Ácido acético- amilalcohol- amilacetatoEste sistema ternario se puede originar en los procesos productivos de

acetato de amilo y es pertinente aquí porque posee un azeótropo ternario del tipo silla, que es difícil de localizar a partir de solamente las líneas de residuo o las líneas de destilación. Esto se manifiesta en la figura 1 donde se ilustran las cuatro regiones de destilación del sistema y cómo las trayectorias de destilación no cruzan por la composición de la solución azeotrópica.

Para localizar el azeótropo ternario se encuentra el punto de composición donde se cruzan las tres curvas de volatilidad igual a la unidad. Esta idea se ilustra en la figura 2 y es de carácter general: siempre es posible localizar los azeótropos ternarios con este procedimiento.

Las curvas de volatilidad constante proporcionan información adicional útil en el análisis y síntesis de procesos de destilación. Así, en la figura 2, las líneas

de volatilidad igual a la unidad dividen el espacio de composiciones en seis regiones de acuerdo con diferentes órdenes para la volatilidad relativa.

Para representar esto, se trazaron los vectores del ELV en cinco de las regiones. Pongamos por caso los vectores rojos: indican una región donde el orden de volatilidad es ácido>acetato>alcohol.