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INTRODUCCIN A SUS ASPECTOS TERICOS
[email protected]
Mc Cabe Smith Harriet - Operaciones Unitarias en Ing. Qum. (Mc
Graw Hill 7 Ed. 2007)
Perry Green Manual del Ingeniero Qumico Vol II (Mc Graw Hill 7
Ed. 2001)
Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol II (Revert 1981)
Treybal Operaciones de Transferencia de Masa (Mc Graw Hill 2 Ed.
1980)
Geankoplis Procesos de Transporte y Op. Unitarias (C.E.C.S.A.
1982)
Destiladorpreflash
Torre atmosfrica
Torre vaco
Operacin Distribucin de componentes en las fases
Absorcin gaseosa
Desorcin gaseosaNo todos los componentes
estn en ambas fases
Ms de un
componente en
ambas fases
Humidificacin
EvaporacinNo todos los componentes
estn en ambas fases Una fase pura
Condensacin de mezclas
DestilacinTodos los componentes estn en ambas fases
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Es un mtodo de separacin de componentes de una solucin, basada
en la distribucin de sustancias entre una fase gaseosa y una
lquida.
El trmino se aplica a los casos en que todos los componentes
estn presentes en las dos fases.
En lugar de introducir una nueva sustancia en la mezcla (como en
absorcin o en desorcin gaseosa), la nueva fase se crea por
evaporacin o condensacin a partir de la solucin original.
Ejemplo Descripcin proceso Operacin
Separacin de una solucin
de agua y sal por
calentamiento
Se genera una fase gaseosa a
partir de la evaporacin de
agua, que se separa de la
solucin en forma de vapor.
Evaporacin
Separacin de una solucin
de agua y amonaco por
contacto con aire
Se produce el pasaje de
amonaco pasa de la fase lquida
a la fase gas, obtenindose una
mezcla gaseosa aire-amonaco.
Desorcin
Gaseosa
Separacin de una solucin
de agua y amonaco por
calentamiento
Se produce una evaporacin
parcial de la solucin con la
generacin de una fase gaseosa
enriquecida en amonaco.
Destilacin
Si bien la nueva fase difiere de la inicial en su nivel
entlpico, la transferencia de calor opera fcilmente
En la coexistencia de las fases ocurren simultneamente los
procesos de condensacin y evaporacin (con desprendimiento y
captacin de calor respectivamente), con lo que se reduce el costo
de energa asociado a los procesos de transferencia de calor
ocurridos.
La nueva solucin contiene nicamente las sustancias presentes en
la inicial, sin introduccin de componentes extraos que deban
separarse posteriormente, excepto cuando su presencia resulte til
para algn propsito particular.
No existe posibilidad de introduccin de sustancias con fines de
favorecer la distribucin de componentes entre las fases.
Las fases lquida y gaseosa tienen los mismos componentes. Esta
similitud qumica hace que generalmente no sea grande el cambio de
composicin resultante de distribuir los
componentes entre las dos fases.
Mediante manipulacin adecuada de las fases, o mediante
evaporaciones y condensaciones repetidas, es generalmente posible
lograr una separacin tan completa como se quiera.
Pueden obtenerse por tanto productos de la pureza deseada que no
requieren posterior procesamiento.
Esta caracterstica, junto con las ventajas mencionadas, hacen
que sea la destilacin la operacin de transferencia de materia ms
importante.
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Diagramas temperatura composicin a P constante :
Extrado de: Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol II (Revert
1981)
Regla de las fases: L = C F + 2
C=2
L = 2 Fijas P y T, quedan fijas la composicin del vapor y del
lquido
F=2
Diagramas composicin de fases a P constante:
Extrado de: Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol II (Revert
1981)
Extrado de: Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol II (Revert
1981)
Relacin entre la presin parcial de un componente en la fase
gaseosa, y su fraccin
molar en el lquido.
Ley de Dalton (sistema ideal):
En mezclas binarias:
Para un sistema ideal (Ley de Raoult), la volatilidad es
numricamente igual a la Presin de vapor
del componente puro.
Otra relacin frecuentemente utilizada es la expresin de
equilibrio lquido vapor:Para muchos sistemas m es constante en un
amplio rango detemperaturas, pudindose emplear esta ecuacin para
toda la torre.
Benceno Tolueno: Temp: 353K 363K 373K 383K : 2,62 2,44 2,40
2,39
Extrado de: Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol II (Revert
1981)
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Sin retorno de
lquido
(sin reflujo)
Discontinua
Continua
Destilacin diferencial
Destilacin flash o de equilibrio
Con retorno de
lquido
(con reflujo)
Discontinua
Continua Rectificacin
Ejemplo: Tanque inicialmente lleno, calentado a velocidad
constante
hasta ebullicin, en el cual se retira del vapor formado
manteniendo Presin
constante.
En cada instante, el vapor y el lquido estarn en equilibrio,
pero el vapor total
formado no est en equilibrio con el lquido residual.
Sean:
S: N de moles totales iniciales
x: fraccin molar de A en el lquido
y: fraccin molar de A en el vapor
Si en un diferencial tiempo se evapora un dS:
Balance de materia para A:
Puede determinarse la cantidad de lquido a destilar para obtener
un lquido residual de determinada concentracin.
La concentracin media del vapor se obtiene por un balance de
materia.
Los valores de x y de y corresponden al equilibrio. Si en el
rango de operacin se
cumple:
La alimentacin se calienta en destiladores (intercambiadores) de
tubos, y el lquido caliente se expande en una cmara, donde se
evapora
instantneamente , obtenindose corrientes de lquido y vapor
residuales.
Aplicaciones:
Industria petrolera: ocurre destilacin flash en forma previa
a
muchas unidades de separacin y
transformacin.
Destilacin de lquido de salida de un absorbedor para concentrar
o
recuperar parte del soluto.
Destilacin de lquido de salida de un reactor a alta presin para
generar
algo de vapor
Extrado de: Mc Abe Smith Harriet - Operaciones Unitarias en Ing.
Qum. (Mc Graw Hill 7 Ed. 2007)
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XL
y
F mol/hxf
Considere:
F: alimentacin (mol/h)
f : fraccin molar que se vaporiza y
retira como vapor
A : componente ms voltil
xf : fraccin molar de A en alimentacin
xL : fraccin molar de A en lquido retirado
y : fraccin molar de A en el vapor retirado
estando xL en equilibrio con y.
Como en el equilibrio se cumple:
con ambas ecuaciones puede determinarse la concentracin de las
corrientes de salida.La fraccin f no se fija directamente, sino que
depende de de las entalpas de la alimentacin y de las corrientes
que dejan el destilador:
Una mezcla 50% molar en Benceno Tolueno se somete a destilacin
instantnea operando el separador a presin
atmosfrica.
El lquido que ingresa se calienta a una temperatura tal que
ocasionar que un 40% de la alimentacin se evapore.
a- Estimar la temperatura en la cmara.
b- Cules son las composiciones del lquido y vapor de
salida?
c- A qu temperatura se requiere calentar la alimentacin?
a- El diagrama muestra que el punto de ebullicin de la mezcla es
aprox. 93C, por lo que puedeasumirse que esa es la temperatura en
la cmara estar en el entorno de 95C.
b-Tenamos que:
A 95C (368 K): = 2,45Sustituyendo valores:
con lo cual:
x=0,412 y=0,632
c-Tenamos que:
Tomando como referencia T=95C: HL = 0HV =
Cp alim. ponderado = (0,5x33) + (0,5x40) = 36,5 cal/gmol C
ponderado = (0,632x7360) + (0,368x7960) = 7581 cal/gmol
HF = 36,5 x (TF 95) = 0,4 x 7581TF = 178C
XBENCENO
T C
Diagrama de Punto de ebullicin
(sistema Benceno-Tolueno a 1 atm)
Extrado de: Mc Abe Smith Harriet Op. Unit. en Ing. Qum. (Mc Graw
Hill 7 Ed. 2007)
Compuesto Benceno Tolueno
Cp (cal/gmol C) 33 40
(cal /gmol) 7360 7960
La destilacin flash se emplea esencialmente paraseparacin de
componentes con temp. de ebullicindiferentes. No es eficaz para
separacin decomponentes de volatilidad comparable.
Plato ideal: el lquido y vapor de salida se encuentranen
equilibrio
Extrado de: Mc Abe Smith Harriet Op. Unit. en Ing. Qum. (Mc Graw
Hill 7 Ed. 2007)
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En el plato: el contacto de las fases hace que sus composiciones
tiendan al equilibrio.
Parte del componente ms voltil (A) se vaporiza desde el lquido,
disminuyendo su concentracin en A.Algo del componente menos voltil
(B) condensa desde el vapor, aumentando su concentracin en A.
Ambos procesos tienden al enriquecimiento de la fase lquida en B
y la fase gaseosa en A, a medida que circulan por la torre.
Desde la base a la cabeza de la torre, la concentracin del
componente ms voltil aumenta en ambas fases. Qu ocurre con la
temperatura?
En la medida en que el calor de vaporizacin de los compuestos
orgnicos no es muy diferente, el nmero de molculas que pasan del
vapor al lquido y viceversa no ser muy diferente, y el proceso que
se da se acerca al de contradifusin equimolecular.
PLATO n
Ln-1 xn-1
Vnyn
Vn+1 yn+1
Lnxn
Zona de
Rectificacin
Zona de
agotamiento
Alimentacin
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TIPOS G; H; J:G: ms eficiente con prdida de carga similar a
E
J: muy baja prdida de carga (1/8 que E), para condensadores a
vaco
K: reboilers,
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TIPO AKT:
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-Divisin en zonas
- Balance global de materia
- Balance en el componente A
- Velocidades netas de flujo
- Lneas de operacin
- Informacin de equilibrio
Supuestos: no hay prdidas, el calor de vaporizacin es constante
y no hay calor de reaccin.
Determinacin del nmero de etapas tericasMtodo Sorel LewisEmplea
estas ecuaciones.La composicin del vapor que ingresa a un plato en
funcin de la del lquido existente en l se obtiene de los balances.
La composicin del vapor que sube del plato en relacin con el lquido
existente en l, se obtiene de la informacin de equilibrio.
Mtodo Mc Cabe - ThieleOfrece una solucin grfica, representando
las ecuaciones que dan la composicin del vapor que egresa de un
plato en funcin del lquido que ingresa en l (rectas bajo las
suposiciones hechas), sobre el mismo diagrama de la curva de
equilibrio.
La suposicin de flujo molar constante no supone una limitacin
importante.En la mayora de los sistemas los calores de vaporizacin
difieren en menos de un 10%, cuando la volatilidad relativa est
entre 1,3 y 5.
Lnea de alimentacin, localizacin del plato de
alimentacinCaracterizacin de la alimentacin: q q: moles de lquido
que fluyen en la seccin de agotamiento como consecuencia de la
introduccin de 1 mol de alimentacin.Alimentacin fra:
q>1Alimentacin de lquido saturado: q=1Alimentacin parcialmente
como vapor: 0
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Al igual que para las mezclas binarias, los balances de materia
y entalpa, y la informacin de equilibrio gas-lquido, se usan para
efectuar los clculos de las etapas tericas.
Los equilibrios entre fases son mucho ms complejos que para
sistemas binarios, debido a la presencia de ms componentes, y a que
los equilibrios dependen de la temperatura, que vara de una etapa a
otra.
En la destilacin binaria, la temperatura y el equilibrio cambian
de una etapa a otra, pero excepto en los azetropos, el componente
ms voltil lo es a travs de toda la columna.
En las mezclas multicomponentes, uno de los componentes puede
ser ms voltil que el promedio en una zona del equipo, y menos
voltil que el promedio en otra. Esto conduce a perfiles de
concentracin complejos.
La convergencia de la solucin de las ecuaciones requiere mtodos
computacionales. Sea como sea, todos ellos tiene su fundamento
terico de base en las ecuaciones mencionadas.
Torres de platos perforados
Torres de platos con campana de burbujeo
Torres de platos con vlvulas
Torres rellenas
Torres con platos perforados: Equipo idntico al anterior, pero
con platos perforados en vez de campanas. La velocidad del vapor
debe
evitar el goteo de lquido, al plato inferior.
Rellenos desordenados:
Anillos Raschig
Anillos Lessing
Anillos de Pall
Sillas de Berl
Sillas Intalox
Otros
Rellenos ordenados:
Anillos Raschig > 2Grillas
Otros (coque, mallas, etc.)
