INTRODUCCIN

COLUMNA DE DESTILACIN

Una columna de destilacin simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentacin que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificacin y agotamiento.

Se requiere de un dispositivo, como un rehervidor, donde se transfiera calor al lquido que emerge de la etapa de equilibrio correspondiente al fondo de la columna para vaporizarlo parcialmente, de tal manera que la fraccin vaporizada se recircula al fondo de la columna y se mantenga en un flujo ascendente a travs de la columna. La fraccin no vaporizada se remueve como producto de fondo.

El vapor que emerge de la etapa superior de la seccin de rectificacin es condensado, y el lquido resultante se divide en dos fracciones. Una fraccin se remueve como el producto de tope o destilado. La otra fraccin lquida, denominada reflujo, se recircula al tope de la columna y se mantiene en un flujo descendente a travs de ella, estableciendo el contacto requerido con la fase vapor ascendente para la transferencia de masa deseada en cada una de las etapas de equilibrio lquido - vapor.

En la gran mayora de columnas de destilacin, el rehervidor es parcial pero el condensador puede ser total o parcial. Un condensador es total cuando todo el vapor del tope de la columna es completamente condensado, en el caso contrario se conoce como un condensador parcial. Si toda la fraccin condensada se recircula a la columna se dice que la columna opera a reflujo total

La destilacin es un mtodo para separar los componentes de una solucin; depende de la distribucin de las sustancias entre una fase gaseosa y una lquida, y se aplica a los casos en que todos los componentes estn presentes en las dos fases. En vez de introducir una nueva sustancia en la mezcla, con el fin de obtenerla segunda fase (como se hace en la absorcin o desorcin de gases) la nueva fase se crea por evaporacin o condensaci6n a partir de la solucin original.La destilacin se refiere a separar soluciones en que todos los componentes son apreciablemente voltiles. FISICOQUIMICA, IRA N. LEVINE, 5 EDICION, PAG: 324-326, 331, 348, 430.

Destilacin con reflujo:

La rectificacin (fraccionada) o destilacin por etapas con reflujo se puede considerar desde un punto de vista simplificado como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de etapas de vaporizacin instantnea, de manera que los productos gaseosos y lquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. El lquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye hacia arriba, a la etapa superior. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de vapor Y y una corriente lquida L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio, y de dicha etapa sale una corriente de vapor y una corriente de lquido en equilibrio.

Para el contacto a contracorriente por etapas mltiples, se obtuvo la ecuacin de balance de materias o ecuacin de la lnea de operacin, que relaciona las concentraciones de las corrientes de vapor y de lquido que se ponen en contacto en cada etapa. En una columna de destilacin, las etapas (a las que se llama casquetes de burbujeo o platos) de una torre de destilacin estn distribuidas verticalmente, como se muestra de manera esquemtica en la figura 1.

La alimentacin entra a la columna de la figura 1 aproximadamente en la zona media de la misma. Si la alimentacin es lquida, fluir hacia abajo, aun casquete de burbujeo o etapa. El vapor entra al plato y burbujea a travs del lquido a medida que ste fluye hacia abajo. El vapor y el lquido que salen del plato estn esencialmente en equilibrio. El vapor contina hacia arriba pasando a la siguiente etapa o plato, donde nuevamente se pone en contacto con el lquido que fluye hacia abajo. En este caso, la concentracin del componente ms voltil (el componente A de punto de ebullicin ms bajo) va aumentando en el vapor de una etapa a la superior siguiente y disminuye el lquido de una etapa a la inferior siguiente. El vapor final que sale por la parte de arriba se enva a un condensador y se extrae una porcin del producto lquido (destilado), que contiene una alta concentracin de A. El lquido remanente en el condensador regresa (reflujo) al plato superior.

Figura 1: Flujo del proceso para una torre fraccionadora que contiene artesas o platos con casquete de burbujeo.

El lquido que sale por el plato inferior entra a un hervidor, donde se vaporiza parcialmente, y el lquido remanente, que es pobre en A o rico en B, se extrae como producto lquido. El vapor del hervidor regresa a la etapa o plato inferior. En la torre de la figura 1 slo se muestran tres platos, pero en muchos casos, el nmero de platos es mayor. En el plato de burbujeo, el vapor penetra a travs de una abertura y burbujea en el lquido para producir un contacto ntimo entre el lquido y el vapor en el plato.

En el plato terico, el vapor y el lquido que salen del mismo estn en equilibrio. El hervidor se puede considerar como una etapa o palto terico. INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA EN LA INGENIERIA QUIMICA, SMITH, VAN NESS, ABBOTT, 5 EDICION, PAG: 225, 226

MTODO DE MCCABE-THIELE

El mtodo de McCabe-Thiele, se considera el ms simple y quizs el ms ilustrativo para el anlisis de la destilacin binaria. Este mtodo usa el hecho de que la composicin de cada plato terico (o etapa de equilibrio) est totalmente determinada por la fraccin molar de uno de los dos componentes.

El mtodo de McCabe-Thiele se basa en el supuesto de desbordamiento de molar constante que exige que:

Los calores molares de vaporizacin de los componentes de la alimentacin son iguales. As para cada mol de lquido vaporizado se condensa un mol de vapor. Los efectos del calor, tales como calores de disolucin y la transferencia de calor hacia y desde la columna de destilacin se consideran despreciables.

Construccin y uso del diagrama de McCabe-Thiele

Antes de comenzar la construccin y uso de un diagrama de McCabe-Thiele para la destilacin de una alimentacin binaria, debemos obtener los datos del equilibrio lquido-vapor (VLE) para el componente de menor punto de ebullicin de la alimentacin.

Figura 2: Tpico diagrama de McCabe Thiele para la destilacin mezlca de alimentacin binaria. Los ejes vertical y horizontal se dibujan del mismo tamao en el grfico. El eje horizontal ser para la fraccin molar (identificado por x) del componente de menor punto de ebullicin de la alimentacin en la fase lquida. El eje vertical ser para la fraccin molar (identificado por y) tambin para el mismo componente pero en fase de vapor.El siguiente paso es dibujar una lnea recta desde el origen de la grfica (0, 0) hasta el punto donde (1, 1), es decir la recta y=x. Figura 2. Esta lnea de 45 grados se utiliza simplemente como una ayuda grfica para la elaboracin de las lneas restantes. Luego se dibuja la lnea de equilibrio utilizando los puntos de datos VLE del componente de ms voltil, lo que representa el equilibrio de las composiciones en fase de vapor para cada valor de la composicin de la fase lquida. Tambin dibujamos lneas verticales desde el eje horizontal hasta la lnea x = y para la alimentacin y para la composicin deseada del producto destilado superior y el producto correspondiente fondo (en rojo en la figura 2).El siguiente paso es dibujar la lnea de operacin para la seccin de rectificacin (la seccin sobre la entrada de la alimentacin) de la columna de destilacin, (mostrados en verde en la figura 2). A partir de la interseccin de la lnea de la composicin de destilado y la recta y=x, trazamos la lnea de operacin de rectificacin con una pendiente descendente (y/x) de L/(D + L) donde L es el flujo molar de la corriente de reflujo y D es la tasa de flujo molar del producto destilado. Por ejemplo, en la figura 2, suponiendo que el caudal molar de reflujo de la L es de 1000 moles por hora y la velocidad de flujo molar del destilado D es 590 moles por hora, entonces la pendiente de la lnea de operacin rectificar es de 1000 / (590 + 1000) = 0,63 lo que significa que la coordenada de cualquier punto de la lnea disminuye 0,63 unidades por cada unidad que la coordenada x disminuye.El siguiente paso es trazar la recta q (lnea azul en la Figura 2) de la lnea x = y para que se cruza la lnea de operacin de rectificacin.El parmetro q es la fraccin molar de lquido en la alimentacin y la pendiente de la lnea q es q / (q - 1). Por ejemplo, si la alimentacin es un lquido saturado entonces q = 1 y la pendiente de la lnea q es infinito lo que significa que la lnea es vertical. Otro ejemplo; si la alimentacin es vapor saturado (sin lquido), q = 0 y la pendiente de la lnea q es 0, lo que significa que la lnea es horizontal.Algunos valores q de ejemplo y sus rectas se presentan en la Figura 2. Como se puede ver ahora, el tpico diagrama de McCabe Thiele en la Figura 2 utiliza una recta-q que representa una alimentacin parcialmente vaporizada.

A continuacin, como se muestra en la Figura 2, trazamos la lnea de operacin prpura para la seccin de agotamiento de la columna de destilacin (es decir, la seccin de debajo de la entrada de la alimentacin). A partir de la interseccin de la lnea roja del fondo y la la recta y=x, sealamos a la seccin de agotamiento lnea de operacin hasta el punto donde la recta q (azul) cruza la lnea de operacin verde de la rectificacin de la recta de la seccin de rectificacin.

Por ltimo, como se muestra en la Figura 2, dibujamos los pasos entre las rectas de rectificacin y la curva de equilibrio y luego contarlos. Estas medidas representan los platos tericos o etapas de equilibrio. El nmero requerido de platos tericos es de 6 para la destilacin binaria que se muestra en la Figura 2.

Tenga en cuenta que el uso de lneas de color no es obligatorio y slo se utiliza aqu para hacer la metodologa ms fcil de describir.En la destilacin continua con diferentes relaciones de reflujo, la fraccin molar de los componentes ms ligeros en la parte superior de la columna de destilacin disminuir a medida que disminuye la relacin de reflujo. Cada relacin de reflujo nueva altera la pendiente de la recta de rectificacin.

Cuando el supuesto de desbordamiento constante molar no es vlido, las lneas de operacin no sern rectas. Usaremos balances de masa y entalpa, adems de los datos de equilibrio vapor-lquido y la entalpa de datos de concentracin, las lneas de operacin pueden ser construidas sobre la base del mtodo de Ponchon-Savarit. PROCESOS DE SEPARACION, PHILLIP WANKAT, 5 EDICION, MC GRAW-HILL.