11 COLUMNAS DE SEPARACIN (DESTILACIN, ABSORCIN Y EXTRACCIN)

Contenidos del captulo11.1. Introduccin11.2. Destilacin continua: Descripcin del proceso11.3. Destilacin continua: Principios bsicos11.4. Variables de diseo en la destilacin11.5. Mtodos de diseo para sistemas binarios11.6. Destilacin multicomponente:Consideraciones generales11.7. Destilacin multicomponente: Mtodosrpidos para determinar el requerimientode etapas y reflujo11.8. Sistemas multicomponentes:Procedimientos de resolucin rigurosos(mtodos por ordenador)11.9. Otros procesos de destilacin11.10. Eficacia de los platos11.11. Dimensionado aproximadode la columna11.12. Contactores de platos11.13. Diseo hidrulico de los platos11.14. Columnas de relleno11.15. Columnas auxiliares11.16. Extraccin con disolventes (extraccinlquido lquido)11.17. Referencias11.18. Nomenclatura11.19. ProblemasObjetivos clave de aprendizaje Cmo disear columnas de destilacin Cmo dimensionar columnas de destilacin y seleccionar y disear los platos de las columnas de destilacin Cmo disear columnas de destilacin usando rellenos en lugar de platos Cmo disear columnas de absorcin y de desorcin Cmo disear columnas de extraccin lquido lquido

11.1. INTRODUCCINEste captulo abarca el diseo de las columnas de separacin. Aunque el nfasis est en los procesos de destilacin, las caractersticas de construccin bsicas, y muchos de los mtodos de diseo, tambin se aplican a otros procesos multietapas, tales como la desorcin, absorcin y extraccin. Slo se ofrecer una revisin breve de los principios fundamentales en que subyacen los procedimientos de diseo; se puede encontrar una discusin ms completa en el libro de Richardson et al. (2002), y otros libros de texto: King (1980), Hengstebeck (1976), Kister (1992), Doherty y Malone (2001) y Luyben (2006).La destilacin es probablemente el proceso de separacin ms ampliamente usado en las industrias qumicas y conexas; sus aplicaciones van desde la rectificacin del alcohol, que se ha practicado desde la antigedad, hasta el fraccionamiento del petrleo. Una buena comprensin de mtodos usados para la correlacin de los datos del equilibrio lquido vapor es esencial para comprender la destilacin y otros procesos de etapas de equilibrio; este tema est cubierto en el Captulo 8.En los ltimos aos, mucho del trabajo realizado para el desarrollo de mtodos de diseo fiables para los equipos de destilacin se ha llevado a cabo por una organizacin comercial, Fractionation Research Inc. (FRI), una organizacin establecida con los recursos para llevar a cabo trabajos experimentales con columnas a escala real. Dado que su trabajo est patentado, no se publica en la literatura abierta y no es posible remeternos a sus mtodos en este libro. Los manuales de diseo de Fractionation Research, sin embargo, estn disponibles para los ingenieros de diseo que sus compaas estn suscritas como miembros de la organizacin. FRI tambin ha producido un excelente vdeo de formacin que muestra los fenmenos fsicos que ocurren cuando una columna de platos trabaja en diferentes regmenes hidrulicos. Este vdeo se puede adquirir de FRI en www.fri.org.Diseo de columnas de destilacinEl diseno de una columna de destilacion se puede dividir en los pasos siguientes:1. Especificar el grado de separacion requerido: determinar las especificaciones del producto.2. Seleccionar las condiciones de operacion: discontinuo o continuo; presion de operacion.3. Seleccionar el tipo de dispositivo de contacto: platos o relleno.4. Determinar los requerimientos de etapas y reflujo: el numero de etapas de equilibrio.5. Dimensionar la columna: diametro, numero de etapas reales.6. Disenar el interior de la columna: platos, distribuidores, soportes del relleno.7. Diseno mecanico: carcasa e instalaciones internas.El paso principal es determinar los requerimientos de etapas y reflujo. Esto es un procedimiento relativamente sencillo cuando la alimentacion es una mezcla binaria, pero un trabajo dificil y complejo cuando la alimentacion contiene mas de dos compuestos (sistema multicomponente).Casi todo el diseno de la destilacion se lleva a cabo usando un programa informatico de simulacin de procesos comercial, como se indico en el Capitulo 4. Los programas de simulacion de procesos permiten al disenador determinar los requerimientos de etapas y reflujo que son necesarios para alcanzar la separacion deseada, entonces se dimensiona la columna y se disenan los interiores de la columna.Una vez se conoce el tamano de la columna, se puede disenar la carcasa como un recipiente a presion (vease Capitulo 13) y se pueden disenar el condensador y la caldera como intercambiadores de calor (vease Capitulo 12). Entonces se puede calcular el coste y optimar el diseno total. En el Capitulo 1 se dio un ejemplo de optimacion de una columna de destilacion.

11.2. DESTILACIN EN CONTINUO: DESCRIPCIN DEL PROCESOLa separacin de mezclas de lquidos por destilacin depende de las diferencias de volatilidad entre los componentes. Cuanto mayores sean las volatilidades relativas, ms fcil es la separacin.El equipo bsico necesario para la destilacin continua es shownin Figura 11.1. Vapor fluye hacia arriba a la columna, y el lquido a contra-corriente fluye hacia abajo por la columna. El vapor y el lquido se ponen en contacto en las placas o de embalaje. Parte del condensado desde el condensador se devuelve a la parte superior de la columna para proporcionar un flujo de lquido por encima del punto de alimentacin ( reflujo ) , y parte del lquido de la base de la columna se vaporiza en el intercambiador de calor y devuelto para proporcionar el flujo de vapor .En la seccin por debajo de la alimentacin , los componentes ms voltiles se eliminan del lquido , lo que se conoce como la seccin de separacin . Por encima de la alimentacin , la concentracin de los componentes ms voltiles se incrementa , lo que se llama el enriquecimiento , o ms comnmente , la seccin de rectificacin . La figura 11.1a muestra una columna de produccin de dos productoscorrientes , a que se refiere como las tapas o los gastos generales y el fondo , de una sola alimentacin . Las columnas se utilizan en ocasiones con ms de un feed , y con corrientes laterales retirados en los puntos hasta la columna, como en la figura 11.1b . Esto no altera el funcionamiento bsico pero complica el anlisis del proceso en cierta medida .Si el requisito de proceso es para despojar a un componente voltil de un disolvente relativamente no voltil , la seccin de rectificacin puede ser omitido , y la columna entonces se llama una columna de separacin .

En algunas operaciones, donde se requiere el producto de cabeza en forma de vapor, slo suficiente lquido se condensa para proporcionar el flujo de reflujo a la columna, y el condensador se refiere como un condensador parcial. Cuando el lquido se condensa totalmente, el lquido devuelve a la columna tendr la misma composicin que el producto de cabeza. En un condensador parcial, el reflujo estar en equilibrio con el vapor que sale del condensador.Prcticamente la parte superior puro y productos de cola se puede conseguir en una sola columna de una alimentacin binario, pero donde la alimentacin contiene ms de dos componentes, slo un nico producto'''' pura se puede producir, ya sea desde la parte superior o inferior de la columna .Se necesitarn varias columnas para separar una alimentacin multicomponente en sus partes constituyentes.

11.2.1. Consideraciones reflujo

La relacin de reflujo, R, se define normalmente como:

El nmero de etapas necesarias para una separacin dada depender de la relacin de reflujo utilizado.En una columna de funcionamiento, la relacin de reflujo efectivo se incrementar por vapor condensado dentro de la columna debido a la fuga de calor a travs de las paredes. Con una columna welllagged, la prdida de calor ser pequeo, y no se tiene en cuenta normalmente con este aumento del flujo en los clculos de diseo. Si una columna est mal aisladas, los cambios en el reflujo interno debido a los cambios bruscos de las condiciones externas, como una tormenta repentina, pueden tener un efecto notable sobre el funcionamiento y control de la columna.

reflujo total

Reflujo total es la condicin cuando todo el condensado se devuelve a la columna como reflujo: ningn producto se retira y no hay alimentacin.En reflujo total el nmero de etapas necesarias para una separacin dada es la mnima a la que es tericamente posible para lograr la separacin. Aunque no es una condicin de funcionamiento prctico, es una gua til para el nmero probable de etapas que sern necesarios.Las columnas son a menudo puestas en marcha sin el despegue de productos y funcionar a reflujo total hasta que se alcancen las condiciones de rgimen. Las pruebas de columnas tambin se lleva a cabo convenientemente a reflujo total.

reflujo mnimo

A medida que se reduce la relacin de reflujo, se producir un punto de pellizco en el que la separacin slo se puede lograr con un nmero infinito de etapas. Esto establece la relacin de reflujo mnimo posible para la separacin especificada.

ptima relacin de reflujo

Relaciones de reflujo prcticos sern estar en algn lugar entre el mnimo para la separacin especificada y reflujo total. El diseador debe seleccionar un valor en el que se logra la separacin especificada con un coste mnimo. El aumento del reflujo reduce el nmero de etapas requeridas, y por lo tanto el costo de capital, pero aumenta los requisitos de servicio (vapor y agua) y los costos de operacin. La relacin de reflujo ptima ser aquella que da el menor costo de operacin anual. No hay reglas duras y rpidas se pueden dar para la seleccin de la relacin de reflujo de diseo, pero para muchos sistemas de la ptima se encontrar entre 1,2 y 1,5 veces la relacin de reflujo mnimo.Para los nuevos diseos, en los que la relacin no se puede decidir de la experiencia pasada, el efecto de la relacin de reflujo en el nmero de etapas se puede investigar usando los mtodos de diseo de acceso directo que figuran en este captulo. Esto suele indicar que el mejor valor para su uso en los mtodos de diseo ms rigurosos. En bajas relaciones de reflujo, el nmero calculado de las etapas ser muy dependiente de la exactitud de los datos de equilibrio vapor-lquido disponibles. Si los datos son sospechosas, una proporcin ms alta que lo normal debe ser seleccionado para darle ms confianza en el diseo.

11.2.2. Ubicacin del punto de alimentacin

La ubicacin precisa del punto de alimentacin afectar el nmero de etapas necesarias para una separacin especificada y la operacin posterior de la columna. Como regla general, la alimentacin debe entrar en la columna en el punto que da la mejor coincidencia entre la composicin de la alimentacin (vapor y lquido si dos fases) y el corrientes de vapor y lquido en la columna. En la prctica, es conveniente proporcionar dos o tres boquillas del punto de alimentacin situados alrededor del punto de alimentacin previsto para permitir que las incertidumbres en los clculos de diseo y los datos, y los posibles cambios en la composicin de la alimentacin despus del inicio.

11.2.3. Seleccin de la Presin de la columnaExcepto cuando destilacin de materiales sensibles al calor , la consideracin principal cuando se selecciona la columna que opera a presin ser para asegurar que el punto de roco del destilado es superior a la que se puede obtener fcilmente con el agua de refrigeracin de la planta. La mxima temperatura del verano del agua de refrigeracin se toma generalmente como 308C . Si esto significa que se necesitan altas presiones , se debe considerar la provisin de enfriamiento salmuera refrigerada . Operacin de vaco se utiliza para reducir las temperaturas de columna para la destilacin de materiales sensibles al calor y donde , de otro modo se necesitaran altas temperaturas para extraer materiales relativamente voltiles .Cuando se calculan los requisitos de la etapa de reflujo y , que es habitual para tomar la presin de funcionamiento lo ms constante a lo largo de la columna . En las columnas de vaco , la cada de presin de la columna ser una fraccin significativa de la presin total , y el cambio en la presin hasta la columna debe ser permitido para el clculo de las temperaturas etapa . Esto puede requerir un clculo ensayo y error , como claramente la cada de presin no puede ser estimado antes de que se hizo una estimacin del nmero de etapas .

11.3. Destilacin Continua: PRINCIPIOS BSICOS

11.3.1. Ecuaciones StageMateriales y energa ecuaciones de equilibrio se pueden escribir para cualquier etapa de un proceso de varias etapas.La figura 11.2 muestra el material fluye dentro y fuera de una etapa tpica n en una columna de destilacin. Las ecuaciones para esta etapa se establecen aqu, para cualquier componente i.Balance de materia

Balance de energa

Donde

Vn = de flujo de vapor de la etapa;Vn-1 = flujo de vapor a la fase de la etapa siguiente;Ln = flujo de lquido desde el escenario;Ln-1 = flujo de lquido en la etapa de la etapa anterior;Fn = de cualquier flujo de alimentacin en la etapa;Sn = de cualquier corriente lateral de la etapa;qn = flujo de calor, o la retirada de la etapa;n = cualquier etapa, numerada desde la parte superior de la columna;z = fraccin de moles del componente i en la corriente de alimentacin (nota, de alimentacin puede ser de dos fases);x = fraccin molar del componente i en las corrientes lquidas;y = fraccin molar del componente i en las corrientes de vapor;H = fase especfica entalpa de vapor;h = fase especfica lquido entalpa;hf = alimentacin de entalpa especfica (vapor + lquido).

Todos los flujos son los flujos totales de transmisin (moles / unidad de tiempo), y las entalpas especficas son tambin para la corriente total (J / mol).Es conveniente llevar a cabo el anlisis en trminos de etapas de equilibrio''.'' En una etapa de equilibrio (placa terica), se toman las corrientes de lquido y vapor que salen de la etapa de estar en equilibrio, y sus composiciones se determinan por el vapor -lquido relacin de equilibrio para el sistema (consulte el Captulo 8). En trminos de las constantes de equilibrio:

El rendimiento de las etapas reales se relaciona con una etapa de equilibrio por el concepto de la eficiencia de la placa para contactores de placa y la altura'' de una placa de equivalente'' terica para columnas empaquetadas.

Adems de las ecuaciones derivadas de los balances de materia y energa ms de una etapa, y las relaciones de equilibrio, habr cuarta relacin, la ecuacin de suma para el lquido y las composiciones de vapor:

Estas cuatro ecuaciones son las llamadas ecuaciones de malla para la etapa: balance de materiales, Equilibrio, Suma y calor (energa) ecuaciones de balance. Ecuaciones de las mallas pueden ser escritas para cada fase y para el intercambiador de calor y el condensador. La solucin de este conjunto de ecuaciones forma la base de los mtodos rigurosos que se han desarrollado para el anlisis de los procesos de separacin por etapas.

11.3.2. Puntos de roco y puntos de la burbuja

Para estimar el escenario y el condensador y evaporador temperaturas, se requieren procedimientos de clculo de roco y puntos de burbuja. Por definicin, un lquido saturado se encuentra en su punto de burbuja (cualquier aumento de la temperatura provocar una burbuja de vapor para formar), y un vapor saturado est en su punto de roco (cualquier cada de la temperatura provocar una gota de lquido a la forma).Puntos de roco y los puntos de burbuja se pueden calcular a partir de un conocimiento del equilibrio lquido vapor para el sistema. En trminos de constantes de equilibrio, el punto de burbujeo y el punto de roco se definen por las siguientes ecuaciones:

Para las mezclas de componentes mltiples, la temperatura que satisface estas ecuaciones, a una presin de sistema dado, se debe encontrar por ensayo y error.Para los sistemas binarios de las ecuaciones se pueden resolver ms fcilmente debido a que las composiciones de componentes no son independientes; fijacin de uno correcciones de la otras.

Burbuja-y clculos del punto de roco se ilustran en el ejemplo 11.9.

11.3.3. Clculos de Equilibrio de Destello

En un proceso de vaporizacin instantnea en equilibrio, una corriente de alimentacin se separa en corrientes de lquido y vapor en equilibrio. La composicin de los flujos depender de la cantidad de la alimentacin vaporizada (flashed). Las ecuaciones utilizadas para los clculos de vaporizacin instantnea en equilibrio se desarrollan en esta seccin, y un clculo tpico se muestra en el Ejemplo 11.1.Clculos de flash a menudo son necesarios para determinar la condicin de la alimentacin a una columna de destilacin y, de vez en cuando, para determinar el flujo de vapor desde el intercambiador de calor, o de condensador si se utiliza un condensador parcial.Procesos de destilacin flash de una sola etapa se utilizan para hacer una separacin gruesa de los componentes de la luz en un alimento, a menudo como un paso preliminar antes de una columna de destilacin de mltiples componentes, como en la destilacin de petrleo crudo.La figura 11.3 muestra un proceso de actualizacin de equilibrio tpico. Las ecuaciones que describen este proceso sonBalance de materiales, para cualquier componente, i:

Balance de energa, entalpa total de corriente

Si la relacin de equilibrio vapor-lquido se expresa en trminos de constantes de equilibrio, la ecuacin 11.7 puede escribirse en una forma ms til:

De la cual

Y de manera similar,

Los grupos que incorporan los caudales de lquido y vapor y las constantes de equilibrio tienen un significado general, en los clculos de procesos de separacin.El grupo L / Vki se conoce como el factor de absorcin Ai, y es la relacin de los moles de cualquier componente en la corriente de lquido a los moles en la corriente de vapor.El grupo Vki / L se llama el factor de agotamiento, Si, y es el recproco del factor de absorcin.Tcnicas eficientes para la solucin de los clculos necesarios de prueba y error en los clculos de flash de mltiples componentes estn dadas por varios autores, vase Hengstebeck (1976) y King (1980).

Destello adiabtica En muchos procesos de flash, la corriente de alimentacin est a una presin mayor que la presin de flash, y el calor para la vaporizacin es proporcionado por la entalpa de la alimentacin. En esta situacin no se conoce la temperatura flash y se debe encontrar por ensayo y error.A temperatura debe encontrarse en la que se cumplan los saldos tanto la materia y energa. Esto se lleva a cabo fcilmente usando software de simulacin comercial. 11.4 . VARIABLES DE DISEO EN DESTILACIN

Se muestra en el Captulo 1 que para llevar a cabo un clculo de diseo , el diseador debe especificar valores para un cierto nmero de variables independientes para definir el problema por completo y que la facilidad de clculo depender a menudo de la eleccin juiciosa de estas variables de diseo .En los clculos manuales , el diseador puede usar la intuicin en la seleccin de las variables de diseo y , puede definir otras variables como el clculo procede si se hace evidente que el problema no est suficientemente definido . Cuando se especifica un problema para un mtodo de ordenador , es esencial que el problema se define por completo y suficientemente .En el captulo 1 se demostr que el nmero de variables independientes de cualquier problema es igual a la diferencia entre el nmero total de variables y el nmero de vincular ecuaciones y otras relaciones . Ejemplos de la aplicacin de este procedimiento formal para la determinacin del nmero de variables independientes en los clculos proceso de separacin se dan por Gilliland y Reed ( 1942 ) y Kwauk ( 1956 ) . Para una de varias etapas , la columna de componentes mltiples , habr un conjunto de ecuaciones de balance de materiales y entalpa y las relaciones de equilibrio para cada etapa ( las ecuaciones de las mallas ) y para el intercambiador de calor y el condensador , para cada componente .Si hay ms de unas pocas etapas , la tarea de contar las variables y ecuaciones convierte en una carga , y los errores son muy propensos a ser realizado . Una manera ms sencilla , ms prctica para determinar el nmero de variables independientes es la descripcin regla procedimiento dado por Hanson et al. ( 1962).Su descripcin norma establece que para determinar un proceso de separacin por completo, el nmero de variables independientes que se debe establecer ( por el diseador ) ser igual al nmero que se encuentra en la construccin de la columna o que pueden ser controlados por medios externos en su funcionamiento . La aplicacin de esta norma requiere que el diseador de visualizar la columna en la operacin y el nmero de la lista de variables fijadas por la construccin de la columna , los fijados por el proceso, y los que tienen que ser controlados para la columna de operar de manera constante y producir productos dentro de las especificaciones . El mtodo se ilustra mejor considerando el funcionamiento de el tipo ms simple de la columna : con uno de alimentacin , no hay corrientes laterales , un condensador total y un rehervidor . La construccin se solucionar el nmero de etapas por encima y por debajo del punto de alimentacin ( dos variables ) . La composicin de la alimentacin y la entalpa total de sern fijados por los procesos aguas arriba [ 1 +( n - 1 ) las variables , donde n es el nmero de componentes ] . Sern controlados deberes La velocidad de alimentacin , presin de la columna y del condensador y evaporador ( agua de refrigeracin y de los flujos de vapor) ( cuatro variables ).

Para el diseo de la columna, el diseador debe especificar este nmero de variables para definir completamente el problema, pero no es necesario seleccionar las mismas variables.Tpicamente, en una situacin de diseo, el problema ser determinar el nmero de etapas requeridas en una relacin de reflujo especificado y presin de la columna, para una alimentacin dada, y con las composiciones de productos especificados en trminos de dos componentes clave y una tasa de flujo del producto. Contar el nmero de variables especificadas, se ver que el problema est completamente definida:

Alimente el flujo, la composicin, la entalpa= 2+(n-1)

Reflujo (juegos qc)= 1

Composiciones de componentes principales, la parte superior e inferior= 2

El flujo del producto= 1

Presin de la columna= 1

= n+6

Nota: La especificacin (n- 1) composiciones de componente define por completo la composicin de la alimentacin como las fracciones suman 1.En teora, cualquier (n + 1) variables independientes se podran haber especificado para definir el problema, pero est claro que el uso de las variables anteriores dar lugar a una solucin directa del problema.Cuando se sustituyen variables identificadas por la aplicacin de la regla de descripcin, es importante asegurarse de que los seleccionados son verdaderamente independiente, y que los valores asignados a ellos se encuentran dentro de la gama de valores posibles, prcticos.El nmero de variables independientes que tienen que ser especificados para definir un problema depender del tipo de proceso de separacin se est considerando. Algunos ejemplos de la aplicacin de la regla Descripcin de las columnas ms complejas se dan por Hanson et al. (1962).

11.5. MTODOS DE DISEO PARA SISTEMAS BINARIOS

Una buena comprensin de las ecuaciones bsicas desarrolladas para sistemas binarios es esencial para la comprensin de los procesos de destilacin.La destilacin de mezclas binarias est completamente cubierto en Richardson et al. (2002) y el anlisis de esta seccin se limita a una breve revisin de los mtodos de diseo ms tiles. Aunque los sistemas binarios son generalmente considerados por separado, los mtodos de diseo desarrolladas para sistemas multicomponentes (Seccin 11.6), obviamente, puede tambin ser usado para los sistemas binarios. Con las mezclas binarias, la fijacin de la composicin de un componente fija la composicin de la otra, y iterativo procedimientos no son necesarios para determinar los requisitos de la etapa de reflujo y; mtodos grficos simples se utilizan normalmente.

11.5.1. Ecuaciones bsicas

Sorel (1899) deriva primero y aplica las ecuaciones etapa bsica para el anlisis de los sistemas binarios. La figura 11.4a muestra los flujos y composiciones en la parte superior de una columna. Tomando los lmites del sistema para incluir la etapa n y el condensador da las siguientes ecuaciones:Balance de materia

Balance de energa

donde qc es el calor extrado en el condensador.Combinando las ecuaciones 11.11 y 11.12 da

Combinando las ecuaciones 11.11 y 11.13 da

Ecuaciones anlogas se pueden escribir para la seccin de separacin, como en la figura 11.4b.|

Y

A presin constante, las temperaturas etapa ser funciones de las composiciones de vapor y lquido solamente (roco y puntos de burbuja), y las entalpas especficas tanto, tambin sern funciones de composicin

Mtodo Lewis-Sorel (equimolar sobre el flujo)Problemas Formost destilacin, un supuesto simplificador, primero propuesto por Lewis (1909), pueden hacer que elimina la necesidad de resolver las ecuaciones de balance de energa del escenario. Los caudales de lquido y vapor molares se toman como constante en las secciones de decapado y rectificar. Esta condicin se conoce como desbordamiento equimolar: el vapor molar y los flujos de lquidos a partir de cada etapa son constantes. Esto es cierto slo si el componente latente molar calores de vaporizacin son los mismos y, junto con los calores especficos, son constantes a lo largo del rango de la temperatura de la columna, no hay calor significativa de la mezcla, y las prdidas de calor son despreciables. Estas condiciones son sustancialmente cierto para sistemas prcticos cuando los componentes forman mezclas casi ideales lquidos.Incluso cuando los calores latentes son sustancialmente diferentes, el error introducido por supuesto de desbordamiento equimolar para calcular el nmero de etapas es generalmente pequeo y aceptable.Con desbordamiento equimolar, ecuaciones 11.14 y 11.16 se puede escribir sin lasubndices para indicar el nmero de la etapa:

donde L = el flujo de lquido constante en la seccin de rectificacin de la corriente de reflujo, L0, y V es el flujo de vapor constante en la seccin de agotamiento.Las ecuaciones 11.19 y 11.20 se pueden escribir en una forma alternativa:

donde V es el flujo de vapor constante en la seccin de rectificacin =(L + D), y L es el flujo de lquido constante en la seccin de agotamiento = V+ B.Estas ecuaciones son lineales, con pendientes L / V y L/V. Ellos se conocen como lneas que operan y dan la relacin entre las composiciones de lquido y vapor entre etapas. Para una etapa de equilibrio, las composiciones de las corrientes de lquido y vapor que salen de la etapa estn dadas por la relacin de equilibrio.

Fase Vapor y lquido flujos no ConstantEl mtodo de McCabe-Thiele se puede utilizar cuando la condicin de desbordamiento equimolar no se puede suponer, pero las lneas de funcionamiento no ser recta. Se pueden colocar haciendo balances de energa en un nmero suficiente de puntos para determinar la pendiente aproximada de las lneas; ver Hengstebeck (1976). Alternativamente, el mtodo grfico ms rigurosa de Ponchon y Savarit se puede utilizar. Hoy en da, que rara vez debera ser necesario recurrir a mtodos grficos complejos cuando el diagrama de McCabe-Thiele simple no es suficientemente precisa, como los programas de ordenador sern normalmente disponible para la solucin rigurosa de tales problemas.

11.5.3 concentraciones bajas de producto

Cuando la concentracin de una especie en cualquiera de los productos es muy bajo, los pasos en el diagrama de McCabe-Thiele se vuelven muy pequeos y difciles de trazar. Este problema puede ser superado por replotting las secciones superior o inferior a una escala ms grande o en papel log-log. En una parcela de registro de la lnea de operacin no ser recta y debe ser elaborado por los puntos calculados utilizando las ecuaciones 11.21 y 11.22 trazado. Esta tcnica se describe por Alleva (1962) y se ilustra en el Ejemplo 11.2.Si las lneas de funcionamiento y el equilibrio son rectos, y por lo general se pueden tomar como tal cuando las concentraciones son pequeas, el nmero de etapas necesarias se puede calcular utilizando las ecuaciones dadas por Robinson y Gilliland (1950).

11.5.4. Las ecuaciones FumadorFumador (1938) deriva una ecuacin analtica que se puede utilizar para determinar el nmero de etapas cuando la volatilidad relativa es constante. Aunque su mtodo se puede utilizar para cualquier problema para el que las volatilidades relativas en las secciones de rectificacin y de agotamiento se pueden tomar como constante, es particularmente til para problemas en los que la volatilidad relativa es baja, por ejemplo, en la separacin de ismeros de ebullicin cercanos. Si la volatilidad relativa es cercana a uno, el nmero de etapas requeridas va a ser muy grande, y ser poco prctico para dibujar un diagrama de McCabe-Thiele. Las derivaciones de las ecuaciones se describen en esta seccin y se ilustra en el ejemplo 11.4.11.6. MULTICOMPONENTES DESTILACIN: CONSIDERACIONES GENERALESEl problema de la determinacin de los requisitos de la etapa de reflujo y para destilaciones mltiples componentes es mucho ms compleja que para mixtures.With una mezcla binaria de componentes mltiples, la fijacin de una composicin de componentes no determina de forma nica las otras composiciones de los componentes y la temperatura de la platina. Adems, cuando la alimentacin contiene ms de dos componentes, no es posible especificar la composicin completa de los productos superior e inferior de forma independiente. La separacin entre los productos superior e inferior se especifica mediante el establecimiento de lmites en dos'''' componentes clave, entre las que se desea hacer la separacin.La complejidad de los clculos de destilacin multicomponente se puede apreciar al considerar un problema tpico . El procedimiento normal consiste en resolver las ecuaciones MESH (Seccin 11.3.1 ), etapa por etapa, a partir de la parte superior e inferior de la columna hacia el punto de alimentacin . Para dicho clculo , para ser exactos , las composiciones obtenidas tanto de los clculos bottom- up y top -down deben engranar en el punto de alimentacin y coinciden con la composicin de la alimentacin . Sin embargo, las composiciones calculados dependern de las composiciones asumidas para los productos superior e inferior en el inicio de los clculos .A pesar de que es posible para que coincida con los componentes clave , los otros componentes no coinciden a menos que el diseador fue particularmente afortunados en la eleccin de la parte superior ensayo y composiciones inferiores . Para obtener una solucin completamente rigurosa , las composiciones deben ser ajustados y los clculos repiten hasta que se obtiene una malla satisfactoria en el punto de alimentacin . Claramente , cuanto mayor sea el nmero de componentes , el ms difcil el problema . Como se muestra en la Seccin 11.3.2 , se necesitarn clculos de ensayo y error para determinar las temperaturas de la etapa. Para que no sea mezclas ideales , los clculos sern an ms complicada por el hecho de que las volatilidades de los componentes sern funciones de las composiciones etapa desconocidos . Si ms de unas pocas etapas , se requieren clculos etapa por etapa son complejas y tediosas , como se ilustra en el Ejemplo 11.9 .Antes del advenimiento de la computadora digital moderna , se han desarrollado diversos mtodos '' '' de acceso directo para simplificar la tarea de diseo de columnas mltiples componentes . Un completoResumen de los mtodos utilizados para sistemas de hidrocarburos est dada por Edmister ( 1947-1949 ) en una serie de artculos en la revista El ingeniero del petrleo .Aunque los programas de ordenador sern normalmente disponible para la solucin rigurosa de los MESHequations , mtodos de acceso directo son todava tiles en el trabajo de diseo preliminar y como una ayuda en la definicin de los problemas de solucin de computadora . El uso inteligente de los mtodos de acceso directo puede reducir el tiempo en la computadora y los costos.Los mtodos de acceso directo disponibles se pueden dividir en dos clases :1 . Simplificacin de los procedimientos rigurosos etapa por etapa para permitir que los clculos que se hacen a mano o grficamente . Ejemplos tpicos de este enfoque son los mtodos dados por Smith y Brinkley (1960) y Hengstebeck ( 1976 ) . Estos se describen en la Seccin 11.7 , y el mtodo de Hengstebeck se ilustra mediante un ejemplo prctico2. Los mtodos empricos, que se basan en el rendimiento de las columnas de funcionamiento o los resultados de los diseos rigurosos. Ejemplos tpicos de estos son mtodos de correlacin de Gilliland, que se da en Richardson et al. (2002), y la correlacin Erbar-Maddox da en la Seccin 11.7.3.11.6.1 . Componentes claveAntes de iniciar el diseo de la columna , el diseador debe seleccionar los dos componentes clave entre los que se desea hacer la separacin . La clave de la luz ser el componente que se desea mantener fuera del producto final , y la pesada llave , el componente que se le mantenga fuera de la parte superior del producto . Las especificaciones se pueden establecer en las concentraciones mximas de las claves de los productos superior e inferior. Las teclas se conocen como teclas adyacentes si son '''' adyacente en un listado de los componentes con el fin de volatilidad , y las teclas divididas si algn otro componente se encuentra entre ellos en el orden , por lo general sern adyacente.Qu componentes son los componentes clave ser normalmente claro , pero a veces , en particular si cerrar ismeros de ebullicin estn presentes , el juicio debe ser utilizado en su seleccin . Si existe cualquier incertidumbre , clculos de prueba deben ser hechos usando diferentes componentes como las teclas para determinar el par que requiere el mayor nmero de etapas para la separacin ( el peor de los casos ) . La ecuacin de Fenske se puede utilizar para estos clculos ; ver la Seccin 11.7.3 .Los componentes sin clave que aparecen en los productos tanto superior e inferior son conocidos como componentes distribuidos, y aquellos que no estn presentes, de forma significativa, en uno u otro producto, son conocidos como componentes no distribuidas.11.6.2. Nmero y secuenciacin de las ColumnasComo se mencion en la Seccin 11.2, en destilaciones mltiples componentes no es posible obtener ms de un componente puro, una separacin sostenido, en una sola columna. Si una alimentacin multicomponente se ha dividido en dos o ms productos prcticamente puros, se necesitarn varias columnas. Productos impuros pueden ser retirados en forma de corrientes laterales, y la eliminacin de una corriente lateral a partir de una etapa en la que se concentra un componente menor reducirn la concentracin de ese componente en el producto principal.Para la separacin de N componentes, con un componente esencialmente puro extrae por la cabeza, o desde la parte inferior de cada columna, se necesitarn columnas (N? 1) para obtener la separacin completa de todos los componentes. Por ejemplo, para separar una mezcla de benceno, tolueno, y xileno, se necesitan dos columnas (3? 1). El benceno se extrae por la cabeza de la primera columna, y el producto de fondo, esencialmente libre de benceno, se alimenta a la segunda columna. Esta columna separa el tolueno y el xileno.El orden en el que se separan los componentes determinar el capital y los costes operativos. Cuando hay varios componentes, el nmero de posibles secuencias puede ser muy grande, por ejemplo, con 5 componentes, el nmero es 14, mientras que con 10 componentes, que es cerca de 5000. Cuando los sistemas que requieren la separacin de varios componentes estn diseados, se necesitan procedimientos eficientes para determinar la secuencia ptima de separacin, vase Doherty y Malone (2001), Smith (1995), y Kumar (1982).Reglas heursticas para la secuenciacin ptima1. Retirar los componentes uno a la vez, como en el ejemplo benceno-tolueno-xileno.2. Retire los componentes que estn presentes en gran exceso temprano en la secuencia.3. Con separaciones difciles, con la participacin estrecha componentes de ebullicin, posponer el ms difcil separacin final de la secuencia.Separaciones difciles requieren muchas etapas, por lo que el dimetro de la columna debe hacerse tan pequea como sea posible para reducir el costo. Dimetro de la columna depende de la velocidad de flujo, consulte la Seccin 11.11. El ms abajo en la secuencia, menor ser la cantidad de material que la columna tiene que manejar.columnas de alturaCuando se requiere un gran nmero de etapas, puede ser necesario dividir una columna en dos columnas separadas para reducir la altura de la columna, a pesar de que la separacin requerida podra, tericamente, se han obtenido en una sola columna. Esto tambin se puede realizar en destilaciones al vaco, para reducir la cada de presin de la columna y limitar las temperaturas inferiores.11.7. MULTICOMPONENTES DESTILACIN: Mtodos de acceso directo paraETAPA Y DE REFLUJOSomeof themore procedimientos de mtodo abreviado tiles que se pueden utilizar para estimar la etapa y los requisitos de reflujo sin la ayuda de ordenadores se dan en este section.Most de los mtodos de acceso directo se han desarrollado para el diseo de columnas de separacin para sistemas de hidrocarburos en la industria petroqumica industrias de sistemas de petrleo y, y se debe tener cuidado al aplicarlos a otros sistemas. Por lo general, dependen de la asuncin de la volatilidad relativa constante y no deben ser utilizados para los sistemas severamente no ideales.Mtodos de acceso directo para los sistemas no ideales y azeotrpica se dan por Featherstone (1971, 1973).11.7.1. Sistemas de Pseudo-binariosSi la presencia de los otros componentes no afecta significativamente a la volatilidad de los componentes clave, las teclas pueden ser tratados como un par de pseudo-binario. El nmero de etapas puede entonces ser calculado usando un diagrama de McCabe-Thiele o los otros mtodos desarrollados para los sistemas binarios. Esta simplificacin a menudo se puede hacer cuando el nmero de los componentes sin clave es pequeo o cuando los componentes forman mezclas casi ideales.Cuando la concentracin de los nonkeys es pequeo, por ejemplo menos de 10%, que se pueden agrupar con los componentes clave. Para concentraciones ms altas el mtodo propuesto por Hengstebeck (1946) se puede utilizar para reducir el sistema a un sistema binario equivalente. El mtodo de Hengstebeck se describe en esta seccin y se ilustra en el ejemplo 11.5. El libro de Hengstebeck (1976) debe ser consultado para la derivacin del mtodo y otros ejemplos de su aplicacin.11.7.3. Las correlaciones empricasLos dos mtodos empricos utilizados con mayor frecuencia para la estimacin de los requisitos de la etapa para destilaciones multicomponentes son las correlaciones publicados por Gilliland (1940) y por Erbar y Maddox (1961). Estos mtodos se relacionan el nmero de etapas ideales requeridas para una separacin dada, a una relacin de reflujo dado, para el nmero en reflujo total (mnimo posible) y la relacin de reflujo mnimo (nmero infinito de etapas).Correlacin de Gilliland se da en Richardson et al. (2002).La correlacin Erbar-Maddox se presenta en esta seccin, ya que ahora se considera generalmente para dar predicciones ms fiables. Su correlacin se muestra en la figura 11.11, que da la relacin del nmero de etapas requeridas para el nmero en reflujo total, como una funcin de la relacin de reflujo, con la relacin de reflujo mnimo como un parmetro.Para utilizar la figura 11.11, se necesitan las estimaciones del nmero de etapas a reflujo total y la relacin de reflujo mnimo.11.7.4. Distribucin de Componentes sin clave (Mtodo Grfico)El procedimiento grfico propuesto por Hengstebeck (1946), que se basa en la ecuacin de Fenske, es un mtodo conveniente para la estimacin de la distribucin de los componentes entre los productos superior e inferior.Hengstebeck y Geddes (1958) han demostrado que la ecuacin de Fenske se puede escribir en la forma11.8. MULTICOMPONENTES SISTEMAS: SOLUCIN RIGUROSOPROCEDIMIENTOS (Mtodos computacionales)La aplicacin de las computadoras digitales ha hecho que la solucin rigurosa de las ecuaciones MESH (Seccin 11.3.1) una propuesta prctica y los mtodos informticos para el diseo de columnas de separacin multicomponente estar disponible en la mayora de las organizaciones de diseo.Una cantidad considerable de trabajo se ha hecho en los ltimos 20 aos ms o menos para desarrollar los procedimientos de diseo asistido por ordenador eficientes y fiables para la destilacin y otros procesos por etapas. Una discusin detallada de este trabajo est ms all del alcance de este libro. Consulte los libros especializados que se han publicado sobre el tema-Smith (1963), Holanda (1997), y Kister (1992) y de los numerosos artculos que han aparecido en la literatura de la ingeniera qumica. Un buen resumen del estado actual de la tcnica est dada por Haas (1992).Varios enfoques diferentes tienen ha llevado a desarrollar programas que sean eficientes en el uso del tiempo en la computadora y adecuado para toda la gama de procesos de separacin de componentes mltiples que se utilizan en las industrias de procesos. Un grupo de diseo utilizar los mtodos que mejor se adapten a los procesos que normalmente se maneja.En esta seccin slo se dar una breve descripcin de los mtodos que se han desarrollado.Los pasos bsicos en cualquier procedimiento de solucin rigurosa sern1. Especificacin del problema; especificacin completa es esencial para mtodos informticos;2. La seleccin de valores para las variables de iteracin, por ejemplo, estima temperaturas etapa, y los flujos de lquido y de vapor (la temperatura de la columna y perfiles de flujo);3. Un procedimiento de clculo para la solucin de las ecuaciones de la etapa;4. Un procedimiento para la seleccin de nuevos valores para las variables de iteracin para cada conjunto de clculos de prueba;5. Un procedimiento para comprobar la existencia de convergencia, para comprobar si se ha alcanzado una solucin satisfactoria.Es conveniente tener en cuenta los mtodos disponibles en las siguientes cuatro categoras:6. Lewis-Matheson mtodo;7. Thiele-Geddes mtodo;8. Los mtodos de relajacin;9. Mtodos de lgebra lineal.Clasificacin y mtodos de diseoCon la excepcin del mtodo de Lewis-Matheson, todos los mtodos anteriores requieren la especificacin del nmero de etapas por debajo y por encima del punto de alimentacin. Ellos por lo tanto no son directamente aplicables a disear: donde el diseador quiere determinar el nmero de etapas necesarias para una separacin especificada. Son estrictamente lo que se conoce como los mtodos de calificacin, que se utilizan para determinar el rendimiento de los actuales o especficos, columnas. Dado el nmero de etapas, que pueden ser utilizados para determinar composiciones de productos. Iterativos procedimientos son necesarios para aplicar los mtodos de calificacin para el diseo de nuevas columnas. Una estimacin inicial del nmero de etapas se puede realizar utilizando mtodos de acceso directo y los programas utilizados para calcular las composiciones de productos, repitiendo los clculos con estimaciones revisadas hasta que se obtiene un diseo satisfactorio.11.8.1. Mtodo de Lewis-MathesonEl mtodo propuesto por Lewis y Matheson (1932) es esencialmente la aplicacin del mtodo de Lewis-Sorel (Seccin 11.5.1) a la solucin de problemas de componentes mltiples.Se supone desbordamiento molar constante, y el balance de materiales y las ecuaciones de relacin de equilibrio se resuelven por etapas comenzando en la parte superior o inferior de la columna, de la manera ilustrada en el ejemplo 11.9. Para definir un problema para el mtodo de Lewis-Matheson, las siguientes variables se deben especificar o determinar de otras variables especificadas:Composicin de la alimentacin, velocidad de flujo, y la condicin;Distribucin de los elementos clave;Un flujo de producto;Relacin de reflujo;Presin de la columna;Valores para la distribucin de los componentes sin clave asumida.11.9. OTROS SISTEMAS DE DESTILACIN11.9.1. La destilacin por lotesEn la destilacin por lotes de la mezcla a destilar se carga como un lote a la todava y la destilacin lleva a cabo hasta que se logra una parte superior satisfactoria o producto de fondo. La todava por lo general consta de un recipiente coronado por una columna de relleno o de placa. El calentador se puede incorporar en el recipiente o un intercambiador de calor separado utilizado. Destilacin por lotes debe ser considerado en las siguientes circunstancias:1. Cuando la cantidad que se vaya a destilar es pequeo;2. Cuando una serie de productos tiene que ser producido;3. Cuando la alimentacin se produce a intervalos irregulares;4. Cuando la composicin de la alimentacin vara en un amplio intervalo.Cuando la eleccin entre lotes y continua es incierta, se debe hacer una evaluacin econmica de ambos sistemas.La destilacin por lotes es un proceso en estado no estacionario, la composicin en el todava (partes inferiores) variando como el lote se destila.Dos modos de funcionamiento se utilizan:1 . Reflujo fija , donde la tasa de reflujo se mantiene constante . Las composiciones variarn como el componente ms voltil se separa por destilacin , y la destilacin se detuvo cuando la composicin media del destilado recogido , o las partes inferiores izquierda , cumplir con la especificacin requerida .2 . Reflujo variable , donde la tasa de reflujo se vara a lo largo de la destilacin para producir una composicin fija superior . Tendr que ser aumentado progresivamente a medida que la fraccin del componente ms voltil en la base de las disminuciones fijas La relacin de reflujo .La teora bsica de la destilacin por lotes se da en Hart ( 1997 ) , Perry et al . ( 1997) , Richardson et al . ( 2002 ) andWalas ( 1990 ) . En el anlisis terico simple de columnas de destilacin por lotes , el atraco lquido en la columna suele ser ignorada. Este atraco puede tener un efecto significativo en la eficacia de separacin y debe ser tenido en cuenta en el diseo de columnas de destilacin por lotes . El diseo prctico de las columnas de destilacin por lotes est cubierto por Hengstebeck ( 1976 ) , Ellerbe ( 1997 ) y Hart ( 1997 ) .11.9.2. Destilacin de vaporEn la destilacin al vapor, el vapor se introduce en la columna para bajar la presin parcial de los componentes voltiles. Se utiliza para la destilacin de productos sensibles al calor y para los compuestos con un alto punto de ebullicin. Es una alternativa a la destilacin al vaco.Los productos deben ser inmiscibles con el agua. Parte del vapor se normalmente se permiti a condensarse para proporcionar el calor necesario para la destilacin. En vivo de vapor puede ser inyectado directamente en la base de la columna, o el vapor generado por un calentador en el todava o en una caldera externa.11.9.3. Destilacin reactivaLa destilacin reactiva es el nombre dado al proceso en el que la reaccin qumica y separacin de producto se llevan a cabo simultneamente en una sola unidad. Llevar a cabo lareaccin, con la separacin y la purificacin del producto por destilacin, da las siguientes ventajas:1. Restricciones de equilibrio qumico se superan, como se elimina el producto a medida que se forma.2. El ahorro de energa se puede conseguir, ya que el calor de reaccin puede ser utilizado para la destilacin.3. Los costos de capital se reducen, ya que slo se requiere un depsito.El diseo de columnas de destilacin reactiva se complica por las complejas interacciones entre la reaccin y los procesos de separacin. Una discusin amplia del proceso est dada por Sundmacher y Kiene (2003).La destilacin reactiva se utiliza en la produccin de ter metil butilo terciario (MTBE) y acetato de metilo.11.10. EFICIENCIA DE LA PLACAEl diseador tiene que ver con las etapas de contacto reales, no a la etapa de equilibrio terico asume por conveniencia en el anlisis matemtico de los procesos de etapas mltiples.Equilibriumwill rara vez se alcanza en una etapa real. El concepto de una eficacia de fase se utiliza para vincular el rendimiento de las etapas de contacto prcticos a la equilibriumstage terico.Tres definiciones principales de eficiencia se utilizan:1. Murphree placa de eficiencia (Murphree, 1925), que se define en trminos de las composiciones de vapor por(Formula)donde vosotros es la composicin del vapor que est en equilibrio con el lquido que sale de la placa. La eficiencia placa de Murphree es la relacin de la separacin real alcanzada a lo que se lograra en una etapa de equilibrio (vase la figura 11.6). En esta definicin de la eficiencia, se toman el lquido y la corriente de vapor para ser perfectamente mezclado; las composiciones en la ecuacin 11.64 son los valores medios de composicin para las corrientes.2. punto de Eficiencia (punto de eficiencia Murphree). Si se toman las composiciones de vapor y lquido en un punto en la placa, la ecuacin 11.64 da la eficiencia local o punto, EMV.3. La eficiencia global de columna. Esto se refiere a veces a confusin como la eficiencia global placa.11.10.1 . Prediccin de la Eficiencia PlataSiempre que sea posible , las eficiencias de placa utilizados en el diseo deben basarse en valores experimentales para sistemas similares obtenidos en las columnas de tamao completo . No existe un mtodo totalmente satisfactorio para predecir la eficiencia de la placa del sistema de propiedades fsicas y parmetros de diseo de la placa. Sin embargo , los mtodos que se indican en esta seccin pueden ser utilizados para hacer una estimacin aproximada donde no hay valores experimentales fiables estn disponibles .Ellos tambin se pueden utilizar para extrapolar los datos obtenidos a partir de las columnas experimentales a pequea escala . Si las propiedades del sistema son del todo inusual , la confirmacin experimental de los valores previstos siempre debe ser obtenido . La escala de laboratorio columna pequea , , vidrio - placa de tamiz desarrollado por Oldershaw ( 1941 ) se ha demostrado para dar valores fiablespara la ampliacin. El uso de columnas de Oldershaw se describe en los documentos por Swanson y Gester ( 1962 ) , Veatch et al . ( 1960 ) , y Feria et al . ( 1983 ) .Algunos valores tpicos de la eficiencia de la placa para una gama de sistemas se dan en la Tabla 11.1 . Ms extensas compilaciones de datos experimentales se dan por Vital et al. ( 1984 ) y Kister ( 1992 ) .Sistemas multicomponentesLos mtodos de prediccin dan en las siguientes secciones, y los que estn disponibles en la literatura abierta, invariablemente se restringe a los sistemas binarios. Es claro que en un sistema binario de la eficiencia obtenida para cada componente debe ser el mismo. Esto no es as para un sistema de componentes mltiples; los componentes ms pesados sern por lo general presentan eficiencias ms bajas que los componentes ms ligeros.Las siguientes reglas de gua, una adaptacin de un artculo de Toor y Burchard (1960), se puede utilizar para estimar la eficiencia de un sistema multicomponente de datos binarios:1. Si los componentes son similares, las eficiencias de mltiples componentes sern similares a la eficiencia binario.2. Si las eficiencias predichos para los pares binarios son altos, la eficiencia multicomponente ser alta.3. Si la resistencia a la transferencia de masa es principalmente en la fase lquida, la diferencia entre el binario y la eficiencia de multicomponentes ser pequeo.