TEMA: DESTILACION

INTRODUCCIONDestilacin es la operacin de separar, comnmente mediante calor, los diferentes componentes lquidos de una mezcla, aprovechando las diferencias de volatilidades de los compuestos a separar. La destilacin se da en forma natural debajo del punto de ebullicin (100 grados centgrados en el caso del agua), luego se vuelve nubes y finalmente llueve. La destilacin como tantas otras tcnicas de uso en la qumica convencional, se debe sudescubrimiento alos alquimistas. Hay pruebas documentales de que los trabajos de estos alquimistas llegaron a los rabes y los aparatos que utilizaban para la destilacin son descritos porMarco Graco en el siglo VIII, en elque puede considerarse el primer documento histrico sobre ladestilacin de vinos, aunqueno indica nadasobre lascaractersticas del destiladoobtenido.El termino,que en principio se aplic casi exclusivamente a laseparacin de licores espirituosos del lquido obtenido por la fermentacin de soluciones azucaradas, tiene actualmente aplicaciones mucho ms amplias siendo parte esencial de numerosos procesos donde se requiere separarsustancias que poseen distintos puntos de ebullicin.Los alquimistas de los siglos XVI yXVII, escribieron en sus libros diversos mtodos dedestilacin y el instrumental que el proceso requera, utilizaban en la tarea vasosde diversas formas y condensaban los vapores por refrigeracin con agua fra.

En la prctica, la destilacin puede llevarse a cabo segn dos mtodos principales. El primer mtodo se basa en la produccin de vapor mediante la ebullicin de la mezcla lquida que se desea separar y condensacin de los vapores sin permitir que el lquido retorne al caldern. Es decir, no hay reflujo. El segundo mtodo se basa en el retorno de una parte del condensado a la columna, en unas condiciones tales que el lquido que retorna se pone en ntimo contacto con los vapores que ascienden hacia el condensador. Cualquiera de los dos mtodos puede realizarse de forma continua o por cargas.

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I. FUNDAMENTO TEORICO

1.1. LA DESTILACIN

Es el proceso que se utiliza para llevar a cabo la separacin de diferentes lquidos, o slidos que se encuentren disueltos en lquidos, o incluso gases de una mezcla, gracias al aprovechamiento de los diversos puntos de ebullicin de cada sustancia partcipe, mediante la vaporizacin y la condensacin. Los puntos de ebullicin de las sustancias son una propiedad de tipo intensiva, lo que significa que no cambia en funcin de la masa o el volumen de las sustancias, aunque s de la presin.Si la diferencia entre las temperaturas de ebullicin o volatilidad de las sustancias es grande, se puede realizar fcilmente la separacin completa en una sola destilacin. En ocasiones, los puntos de ebullicin de todos o algunos de los componentes de una mezcla difieren en poco entre s por lo que no es posible obtener la separacin completa en una sola operacin de destilacin por lo que se suelen realizar dos o ms. As el ejemplo del alcohol etlico y el agua. El primero tiene un punto de ebullicin de 78,5 C y el agua de 100 C por lo que al hervir esta mezcla se producen unos vapores con ambas sustancias aunque diferentes concentraciones y ms ricos en alcohol. Para conseguir alcohol industrial o vodka es preciso realizar varias destilaciones. Las industrias qumica, farmacutica, alimenticia y tambin en el campo de la tecnologa ambiental; Todas usan y manejan un amplio rango de solventes y compuestos voltiles, absolutamente en diferentes maneras.La destilacin depende de parmetros como: el equilibrio liquido vapor, temperatura, presin, composicin, energa. El equilibrio liquido vapor: Entre el vapor y el lquido de un compuesto est representado por la relacin de moles de vapor y lquido a una temperatura determinada, tambin puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.La transferencia de materia alcanza un lmite cuando se llega al equilibrio entre las fases, y en este momento cesa la transferencia neta de algunos de los componentes. Por tanto, para que exista una fuerza impulsora de transferencia de materia se debe evitar llegar al equilibrio. El conocimiento del equilibrio entre las fases es muy importante para evaluar las fuerzas impulsoras. La temperatura influye en las presiones de vapor y en consecuencia de la cantidad de energa proporcionada al sistema, tambin influye en la composicin del vapor y el lquido ya que esta depende de las presiones del vapor

La presin tiene directa influencia en los puntos de ebullicin de los lquidos orgnicos y por tanto en la destilacin. La composicin es una consecuencia de la variacin de las presiones de vapor, de la temperatura que fijan las composiciones en el equilibrio. Puntos de ebullicin, son aquellos puntos o temperaturas de compuestos puros a las que sus presiones de vapor igualan a la presin atmosfrica, producindose el fenmeno llamado ebullicin.APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA La separacin de aceites esenciales de compuestos disueltos no voltiles o dispersos en agua es un ejemplo de su aplicacin mediante el uso de columnas de destilacin continuas(Brennan., 2008). En la industria alimentaria se encuentra casi exclusivamente en los procesos de produccin de bebidas alcohlicas y en la separacin de distintos componentes voltiles que proporcionan aroma y flavor (por ejemplo en la produccin de aceites esenciales mediante destilacin con vapor) (Fellows., 2007). En algunas destileras de whisky y otros licores en los que se utilizan todava alambiques para llevar a cabo la destilacin por lotes, de forma discontinua, la mayora de las operaciones de destilacin industriales usan columnas de destilacin en continuo (Fellows., 2007). Los aceites que se encuentran dentro de distintas partes de ciertos vegetales caracterizados como aromticos pueden extraer mediante la destilacin por arrastre de vapor a baja presin, destilacin fraccionada a presin reducida estos aceites proveen a la industria alimenticia sabores y aromas caractersticos, muy utilizados en panaderas, confituras, golosinas, gaseosas, helados, conservantes, galletitas, lcteos, etc. (Mogaspo., 2010.).VENTAJAS DE LA DESTILACION 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 proceso 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. DESVENTAJAS DE LA DESTILACION

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:

TIPOS DE DESTILACION A) DESTILACION DE MEZCLAS BINARIAExisten diferentes mtodos de destilacin de mezcla binaria; en este apartado se describen los mtodos de A.1).destilacin simple, A.2).destilacin por arrastre de vapor, A.3).destilacin al vacoA.4). destilacin fraccionada o flash.A.1). DESTILACIN SIMPLE POR LOTES O DIFERENCIALLa destilacin simple es una operacin donde los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los enfra (condensacin) de modo que el destilado no resulta puro. Su composicin ser diferente a la composicin de los vapores a la presin y temperatura del separador y pueden ser calculadas por la ley de Roult.En este tipo de destilacin, primero se introduce lquido en un recipiente de calentamiento. La carga lquida se hierve lentamente y los vapores se extraen con la misma rapidez con que se forman, envindolos a un condensador donde se recolecta el vapor condensado (destilado). La primera porcin de vapor condensado es ms rica en el componente ms voltil(A).En estaoperacin se pueden separar sustancias con una diferencia entre 100 y 200 grados Celsius, ya que si esta diferencia es menor, se corre el riesgo de crear azetropos. Al momento de efectuar una destilacin simple se debe recordar colocar la entrada de agua por la parte de abajo del refrigerante para que de esta manera se llene por completo. Tambin se utiliza para separar un slido disuelto en un lquido o 2 lquidos que tengan una diferencia mayor de 50 C en el punto de ebullicin.La destilacin simple es el tipo ms bsico de destilacin en el que el ciclo evaporacin-condensacin solamente se realiza una vez. Los puntos de ebullicin difieren entre s, en un rango suficientemente marcado (al menos 25C) y deben ser inferiores a 150C.Este mtodo de destilacin es el que se efecta normalmente en los laboratorios cuando se trabaja sin reflujo.La destilacin simple se puede utilizar para: Separar un slido de un lquido voltil Separar mezclas de lquidos miscibles de forma eficiente siempre y cuando los puntos de componentes de la mezcla difieran al menos en 100C. Purificar un compuesto lquido Determinar el punto de ebullicin normal de un lquido.

FIGURA N01: Destilacin simple

En la destilacin simple abierta o diferencial se trabaja de forma discontinua en una sola etapa. El modo de operar es el siguiente: Se carga el calderin con la mezcla a destilar, y mediante aporte de calor se va formando vapores, que se retiran continuamente, de forma que no haya retorno de condensado hacia el calderin. Inicialmente los vapores formados contendrn un elevado porcentaje del componente ms voltil. La composicin del caldern ha variado continuamente elevndose la composicin del componente ms pesado. No existiendo estado estacionario. Como la cantidad de calor que se aporta al calderin se hace a una velocidad constante, la temperatura de ebullicin de la carga ira aumentando a medida que se vaya empobreciendo del componente ms voltil.Para obtener el modelo matemtico de esta operacin deben realizarse los balances que a continuacin se detallan.Se realiza un balance global molar:

Donde: L y V son las cantidades molares del lquido y vapor en el calderin, D es la cantidad de destilado obtenido. La densidad molar del vapor es muy inferior a la del lquido, y en el caso que V no sea muy elevada, la ecuacin anterior se puede expresar como:

Balance del componente voltil:

Pero como dL / dt = - D

Que para un intervalo de tiempo diferencial se cumple:

La integracin de esta ecuacin conduce a la expresin:

Esta expresin recibe el nombre de ecuacin de Rayleigh. El termino integral se puede calcular grafica o numricamente. Si se conoce la relacin de equilibrio entre las composiciones en la fase vapor y lquido. Para las temperaturas inicial y final. Si la relacin de equilibrio es y = K x, se obtiene la ecuacin: [16]Si se presenta el caso en el que se puede suponer constante la volatilidad relativa, el trmino integral tambin presenta solucin analtica, obtenindose la expresin: [17] En el caso que f = 0 no se obtiene corriente de vapor, y la mezcla no se logra es un cambio de fase, sin separacin de mezcla.

A.2.) DESTILACIN SBITA O FLASH

La destilacin flash consiste en la vaporizacin de una fraccin definida dellquido, en una forma tal que el vapor que se forma est en equilibrio con el lquido residual, la separacin del vapor y el lquido, y posterior condensacin del vapor. En la Figura N02: muestra los elementos de una planta de destilacin flash.

La alimentacin se hace circular, por medio de la bomba a, a travs del calentador b, y se reduce la presin en la vlvula c. Una ntima mezcla de vapor y lquido entra el separador d, en el que permanece suficiente tiempo para que se separen las corrientes de lquido y vapor. Debido al gran contacto existente entre el lquido y el vapor antes de su separacin, las corrientes que salen de ambos estn en equilibrio. El vapor sale a travs de la lnea e y el lquido a travs de la lnea g.

FIGURA N02: Planta para destilacin flash

La destilacin sbita es un tipo de separacin que se utiliza con mucha frecuencia en la prctica industrial, especialmente en el refino de petrleo y la industria petroqumica. No slo se utiliza como separacin en s misma, sino tambin como separacin previa a otras ms elaboradas con el fin de reducir la carga de los equipos.Es una operacin de separacin de una nica etapa. En ella una alimentacin lquida se bombea a travs de un cambiador de calor hasta alcanzar una temperatura determinada, y luego se descomprime bruscamente hacindola pasar a travs de una vlvula de expansin, lo que origina la vaporizacin parcial del lquido tras lo cual la mezcla se introduce en un recipiente de mayor volumen con el objeto de separar la fase condensada del vapor. El recipiente puede ser una cmara simple o estar dotado de relleno u otro dispositivo para la eliminacin de nieblas. El lquido y el vapor que se separan pueden suponerse en equilibrio, por lo que esta separacin se conoce tambin como destilacin de equilibrio.

Son muy comunes en la industria, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos.

FIGURA N03: Destilacin fraccionada

B

DCA

a

A= Alimentacin B= Gases salientes del domo C= reflujo D=destilado E=liquido de fondo F= Gases de columna R= residuosF

R

E

Fuente: Elaboracin propia

La principal diferencia que tiene con la destilacin simple es el uso de una columna de fraccionamiento. sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden, junto con el lquido condensado que desciende, por la utilizacin de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que lo ceden) y los lquidos (que lo reciben).

La destilacin sbita o flash. Llamada tambin cerrada o de equilibrio, consiste en vaporizar una cierta cantidad de lquido, de forma que el vapor generado se halle en equilibrio con el lquido residual. El vapor es separado y se condensa separadamente. El modo de operar se halla esquematizado, una mezcla con moles y composicin Se introduce en una cmara en que la presin es inferior a la de la mezcla, de este modo se separan V moles de vapor de composicin y, y L moles de lquido de composicin x. las composiciones y, x de las fases separadas se hallan en equilibrio. Del balance global y de componente voltil se obtienen las expresiones.

Con lo que:

Si f es la fraccin de moles de alimentacin vaporizados: f = se tiene:

Que en el diagrama y x se corresponde a la ecuacin de una recta, que une las composiciones de la mezcla inicial con las de las corrientes vapor y liquida separadas. Por tanto si se desea conocer las composiciones de estas corrientes, desde el punto de la diagonal de abscisa se traza una recta de pendiente (1 f) / f, y en el punto de corte de esta recta con la curva de equilibrio se obtienen las composiciones deseadas

A.3.) DESTILACINSIMPLE POR ARRASTRE DE VAPOR

En este material vegetal no se le permite entrar en contacto con el agua dentro del recipiente generador de vapor.

Grafico N 04: sistema de destilacin por arrastre de vapor

Fuente: Industrias Protn, Bogot 2006

Resumen del proceso: El vapor de agua se condensa sobre la muestra, entregando el calor latente que eleva la temperatura en la muestra hasta el punto de ebullicin. Cuando la temperatura en la parte superior de la carga llegue hacer igual a la temperatura de saturacin de los aceites (muestra) los cuales estos empiezan a evaporarse, el vapor de agua proveniente de un generador de agua conducir una mezcla de vapor de agua y aceite los cuales los vapores son llevados hasta un condensador, por lo cual el agua y aceite son inmiscibles y se separan por sus diferentes densidades, esta operacin continua hasta que el aceite se agota en la herbcea.

Van Winkle (Vl) dedujo ecuaciones para la destilacin por arrastre de vapor en la cual hay una considerable cantidad de componente no voltil junto con el componente de alto punto de ebullicin.Esto implica un sistema de tres componentes. Tambin considera otros casos para la destilacin por arrastre de vapor binaria en lotes, de multicomponentes, en lotes y continua.

La destilacin con arrastre de vapor se emplea algunas veces en la industria alimenticia para eliminar manchas contaminantes y sabores de grasas y aceites comestibles. En muchos casos se emplea vaco en vez de destilacin por arrastre de vapor para purificar materiales de alto punto de ebullicin. La presin total es bastante baja, por lo que la presin de vapor del sistema iguala a la presin total a temperaturas relativamente bajas.

Grafico N 05: Destilacin de aceite esencial por arrastre de vapor

La condicin ms importante para que este tipo de destilacin pueda ser aplicado es que tanto el componente voltil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto destilado (voltil) formar dos capas al condensarse, lo cual permitir la separacin del producto y del agua fcilmente.Diagrama de Hausbrand.

A.4).DESTILACIN AL VACOLa destilacin al vaco consiste en generar un vaco parcial por dentro del sistema de destilacin para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullicin normal. Este tipo de destilacin se utiliza para purificar sustancias inestables por ejemplo las vitaminas.Lo importante en esta destilacin es que al crear un vaco en el sistema se puede reducir el punto de ebullicin de la sustancia casi a la mitad. En el caso de la industria del petrleo es la operacin complementaria de destilacin del crudo procesado en la unidad de destilacin atmosfrica, que no se vaporiza y sale por la parte inferior de la columna de destilacin atmosfrica. El vaporizado de todo el crudo a la presin atmosfrica necesitara elevar la temperatura por encima del umbral de descomposicin qumica y eso, en esta fase del refino de petrleo, es indeseable.El residuo atmosfrico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de destilacin atmosfrica, se bombea a la unidad de destilacin a vaco, se calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 C, similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilacin atmosfrica, y se introduce en la columna de destilacin. Esta columna trabaja a vaco, con una presin absoluta de unos 20 mm de Hg, por lo que se vuelve a producir una vaporizacin de productos por efecto de la disminucin de la presin, pudiendo extraerle ms productos ligeros sin descomponer su estructura molecular.En la unidad de vaco se obtienen solo tres tipos de productos: Gas Oil Ligero de vaco (GOL). Gas Oil Pesado de vaco (GOP). Residuo de vaco.Los dos primeros, GOL y GOP, se utilizan como alimentacin a la unidad de craqueo cataltico despus de sulfurarse en una unidad de Hidro desulfuracin (HDS).El producto del fondo, residuo de vaco, se utiliza principalmente para alimentar a unidades de craqueo trmico, donde se vuelven a producir ms productos ligeros y el fondo se dedica a producir el ol, o para alimentar a la unidad de produccin de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo el residuo de vaco puede ser materia prima para producir asfaltos

FIDURA N05 DESTILACION AL VACIO

Es un montaje muy parecido a los otros procesos de destilacin con la salvedad de que el conjunto se conecta a una bomba de vaco o trompa de agua. En lugar de plato poroso se puede adaptar un capilar de vidrio u otro dispositivo semejante que mantenga la ebullicin homognea. Este montaje permite destilar lquidos a temperaturas ms bajas que en el caso anterior debido que la presin es menor que la atmosfrica con lo que se evita en muchos casos la descomposicin trmica de los materiales que se manipulan.

La destilacin al vaco se utiliza en productos naturales, como en la separacin de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separacin de muchos productos sintticos industriales (como plastificantes).A.5).DESTILACION CON REFUJO O RECTIFICACIN CONTINA DE MEZCLAS BINARIASEste mtodo de destilacin ha recibido gran desarrollo y es el mtodo ms utilizado en la prctica actualmente. La operacin de rectificacin consiste en hacer circular en contracorriente el vapor de una mezcla con el condensado procedente del mismo vapor, en un aparato denominado columna de rectificacin.Las partes esenciales de una columna de rectificacin son:

La columna propiamente dicha, que es donde se verifica el contacto ntimo entre el lquido y el vapor; El calderin situado en la base de la columna en donde se hace hervir la mezcla a separar; Y la condensacin del reflujo, situado en la cspide de la columna, que se encarga de suministrar el lquido descendente para su contacto son el vapor.

En todo proceso de destilacin el vapor que se forma en el calderin es ms rico en el componente voltil que el lquido que queda en l. Sin embargo el vapor contiene cantidades de ambos componentes, y el destilado raramente es una sustancia pura. Para aumentar la concentracin de componente ms voltil en el vapor de agua, y se separa el menos voltil de esto, el vapor se pone en contacto con una corriente descendente del lquido hirviente. Por la parte superior de la columna de destilacin se introduce una columna de lquido de alta concentracin del componente voltil, que se denomina el flujo los componentes ms voltiles se concentran en la fase vapor, y los menos voltiles en la fase liquida de esta forma la fase vapor se va haciendo ms rico en el componente ms voltil a medida que va ascendiendo por la columna, mientras que la fase liquida es cada vez ms rica en el componente ms pesado conforme se desciende.La separacin que se logra de la mezcla, entre el producto superior y el inferior, depende de las volatilidades relativas de los componentes, el nmero de etapas de contacto y de la razn de reflujo.El proceso descrito recibe el nombre de rectificacin, y se lleva a cabo en columnas de fraccionamiento que opera de forma continua. La figura representa el esquema tpico de una columna de rectificacin: En estas columnas existen un aporte de calorQRen la caldera, lo que crea una corriente de vapor ascendente.

El vapor que sale por la parte superior de la columna VD se condensa y se lleva en forma lquida a un acumulador.

Parte de este condensado se obtiene como producto destilado D, rico en componentes ms voltiles,

Mientras que la otra parte LD se devuelve a la columna por la parte superior en forma de reflujo lquido.

A la caldera llega lquido procedente de la columna, retirndose el exceso como corriente de residuos R, rica en componentes ms pesados.

La columna se alimenta de forma continua mediante una corriente A, que es la mezcla a destilar. El plato que en l se introduce divide la columna de dos partes, la superior que recibe el nombre de zona de rectificacin o enriquecimiento, y la inferior o zona de agotamiento.

En la zona de rectificacin o enriquecimiento se produce un enriquecimiento en el componente ms voltil, eliminando parte del componente ms pesado del vapor ascendente. En la zona de agotamiento se elimina o agota el componente ms voltil del lquido ascendente.En cada plato del sistema tiende a alcanzar el equilibrio del sistema. En cada plato se encuentra el vapor ascendente y el lquido descendente, que no estn en equilibrio, el componente ms pesado condensa desde el vapor ascendente y su calor latente de condensacin se utiliza para vaporizar parte del componente ms voltil de la corriente de reflujo, con la que el vapor se enriquece del componente ms voltil, mientras que la corriente de reflujo liquido se va empobreciendo. El resultado de ello es que la corriente que abandona cada plato tiende al equilibrio. En la figura siguiente se indica el proceso hacia el equilibrio en un plato que se halla a la temperatura Tn.

CALCULO DEL NMERO DE PLATOSEn el diseo de las unidades necesarias que proporcionan un fraccionamiento dado, es necesario desarrollar un modelo matemtico que permita calcular el nmero de platos necesarios. Otros factores fundamentales en el diseo de una unidad de destilacin son, entre otros, el nmero de platos, el dimetro de la columna, el calor que debe suministrarse al calderin y el que debe retirarse en el condensador. El anlisis del funcionamiento de las columnas se basa en el planteamiento y resolucin de los balances de materia y energa.

A.5.1 Modelo Matemtico

Evolucin de las concentraciones de las fases en un plato n.Para realizar el planteamiento del modelo matemtico se supondr que la columna se halla perfectamente aislada, con lo que las prdidas de calor hacia el exterior se consideran nulas. Adems, se consideran un sistema ideal en el que el calor de mezcla es cero. Los balances se aplicaran a una columna de rectificacin. El modelo matemtico se obtendr al realizar los balances en las distintas partes de la columna. Adems se utilizaran unidades molares, que faciliten los clculos de problemas de destilacin. Las entalpias de las corrientes de vapor se presentaran por H. las diferentes composiciones y variables llevan los subndices de las corrientes correspondientes.

Diagrama de balance de materia para el plato n FUENTE: Extrado de: Mc Abe Smith Harriet Op. Unit. en Ing. Qum. (McGraw Hill 7 Ed. 2007)

FIGURAN06: Combinacin de rectificacin y agotamiento

AlimentacinZona de agotamientoZona de rectificacin

A) Balance Global a toda la columna.Los balances molares global y de componente, as como el global de energa permiten obtener:

Balance global: A = D + R (1 ) Balance componente voltil: AxA= DxD+ RxR(2 ) Balance de energa: AHA + QR = DhD+ RhR+ QD (3) En las que A, D Y R son las corrientes molares de alimento, destilado y residuo respectivamente.B) Balances en el condensador.Los balances realizados en el condensador son:

VD = LD + D (4) VDyD= LDxD+ DxD(5)

Si la condensacin es total se cumple que: yD= xD

VDHD = (LD + D) hD+ QD(6)

El calor que se elimina en el condensador es:

QD = VDHD - (LD + D) hD = VD(HD = (LD - hD) (7 )

Que en al caso que el vapor que entra al condensador VD se halle en su punto de roci, las entalpias de vapor HD y del lquidohD se hallan en su punto de saturacin, cumplindose que HD - hD= c, que es el calor latente de condensacin de la mezcla del vapor que llega al condensador. Por tanto, la cantidad de calor eliminado en el condensador ser:

QD = cVD(8)

C) Balances en la caldera.

Al realizar los balances en la caldera se tiene:L1 = R + VR(9) L1 X1= R XR + VRYR(10) L1 h1 + QR = R hR + VRHR(11) Con lo que el calor debe aportar en el calderin ser: QR = R hR + VRHR - L1 h1(12) Es importante resaltar que las entalpias de las distintas Corrientes que aparecen en esta ecuacin dependen no solo de la temperatura, sino tambin de la composicin, por lo tanto, se debera escribir: hR = hR (XR,TR ) HR = HR (YR,TR ) h1 = h1 (X1,T1 )

por lo que es fcil observar que en la ecuacin 32 el calor QR no se obtiene directamente con el calor de condensacin de la mezcla del caldern, ya que este es la diferencia entre las entalpias del vapor y lquidos del residuo, pero a la misma composicin YR y temperatura TR; c= HR (YR,TR ) - h1 (YR,TR) en el caso que la entalpia del lquido sea solo funcin de temperatura, y suponiendo despreciables los calores sensibles, se cumple:

QR = cVR(13)

D) Balances en la zona de enriquecimiento.

Los balances se aplican entre un plato n (excluyndolo) y la parte superior de la columna.

Vn Ln+1 = VD LD = D (14) VnYn Ln+1 Xn+1 = VD YD LD XD = D XD (15)

VnHn Ln+1hn+1 = VDHD LD hD(16)

E) Balances en la zona de agotamiento.Los balances se realizan entre un plato m (incluyndolo) y el fondo de la columna.Vm+ R = Lm+1 (17)VmYm+ RXR = Lm+1 Xm+1(18) VmHm RhR= Lm+1 hm+1 QR (19)

F). Balances en el plato de alimentacin. Los balances en este plato dan la siguiente ecuacin.A = Va La+1 + La Va -1 = D R(20) AXA = Va Ya La+1 Xa+1 + La Xa - XD - Va-1 Ya-1 (21) A Hn= VaHa La+1 ha+1 + La ha - Va-1Ha-1 (22)

A.5.2) Destilacin con reflujo. El mtodo de McCabe ThieleEste mtodo, aunque menos rigoroso que el de Ponchon y Savarit,en muy til, puedto que no requiere datos detallados de entalpa.Bsicamente existen tres mtodos de resolucin del modelo matemtico. Uno de ellos es el mtodo de Ponchon Savarit, en el que es necesario trabajar con el diagrama matemtico. Otro mtodo es el de Lewis Sorel, en el que se determina analticamente el nmero de etapas tericas mediante un clculo piso apiso. Sin embargo, en este apartado solo se describir de forma detallada el nmero de McCabe Thiele. Para aplicar este mtodo de McCabe Thiele en el clculo de nmero de platos tericos de una columna de destilacin es necesario realizar las siguientes hiptesis: Los calores especficos de todos los lquidos y vapores son constantes e iguales. Los calores latentes de vaporizacin son constantes e iguales. Los calores de mezclas son nulos. La columna trabaja de forma adiabtica.

Consideremos la rectificacin en mancha continua, que corresponde al caso en el que los caudales de entrada y salida de la columna permanecen constantes, considerando mezclas binarias.

Balance total de materiaF = D + W (a.5.2)

Balance del componente ms voltilFXf = DX0+ WXW (a.5.3)

Donde:F=Caudal de alimentacin.D=Caudal del producto.W=Caudal del producto de colas.Xf, XO, Xw = composicin del componente ms voltil en cada caso.

a. Seccin de rectificacin.

Balance total de materia G = L + D (a.5.4)Donde:G=flujo de vapor que sale dela columna.L=flujo del lquido, seccin de enriquecimiento.

Balance del componente ms voltil (platon) GnYn= LXn-1+ DXD

b.-Ecuacin de la lnea de operacin de seccin de rectificacin

YnXD(a.5.5)

c.-Relacin de reflujo

R(a.5.6)

Combinando(a.5.4) con (a.5.6) y relacionando con (a.5.5)FIGURAN07: Combinacin de rectificacin y agotamiento

(a.5.7)

El punto de interseccin de la lnea representada por la ecuacin (a.5.7) y la ecuacin Y=X,se obtiene relacionando la dos ecuaciones,llegando al punto(X0 ,XD ).

d.- Seccin de agotamiento

Balance del componente ms voltil (platom)

e.-Ecuacin de la curva de operacin de operacin de agotamiento.

Combinando (a.5.4) con (a.5.6) y relacionando con (a.5.5)

Donde:

Flujo de lquido, seccin de agotamiento

Flujo de vapor, seccin de agotamientoConcentracin del componente ms voltil en el vapor. Y

El punto de interseccin en la ecuacin (a.5.11) con la ecuacin Y=X,es(Xw,Xw).

Introduccin a la mezcla de alimentacin

La introduccin de las mezcla de alimentacin modificada al cambio en la pendiente de las lneas de operacin cundo se pasa de la seccin de enriquecimiento a la de agotamiento.Los afectos cuantitativos que originan la introduccin de la alimentacin dependen del estado fsico de la mezcla de alimentacin .dicho efecto de representa mediante la ecuacin:

El punto de corte de las rectas de operacin de enriquecimiento y agotamiento se obtiene al resolver el sistema formado por las ecuaciones 26a y 27. Al resolver este sistema se obtiene:Si se define la relacin del flujo r = LD/D como la relacin entre las corrientes molares liquida que se devuelve a la columna como reflujo y la corriente de destilado, la ecuacin anterior se puede expresar como: (46 b)Que es otro modelo de expresar la recta de enriquecimiento. En el diagrama y x, esta recta pasa por los puntos ( XD, XD ) y (0, D XD / VD ) y siendo su pendiente LD / VD.Del balance del componente voltil en la zona de agotamiento se ha obtenido la ecuacin 28. Si se tiene presentes las hiptesis las hiptesis de McCabe Thiele y en esta ecuacin se sustituyen la ecuaciones 43 y 44 se obtiene.

(47) (28)Donde: Estas ecuaciones se deducen de un balance de entalpias y un balance global de materia aplicado en la seccin de la columna en al plato en que se estintroduciendo la mezcla de alimentacinFIGURAN08: curvas de operacin

Numero de platos a reflujo totalCuando todo el destilado que se obtiene en el condensador de cabeza se devuelve a la columna en forma de reflujo lquido, la recta de operacin coincide con la diagonal, y el nmero de platos que se requiere para obtener una determinada separacin es mnimo. Cuando la volatilidad relativa es constante se puede aplicar el mtodo de Fenske, para obtener el nmero de platos necesario en una separacin dada, trabajando a reflujo total.Para el caso de mesclas binarias, con 2 componentes A y B, el nmero de platos tericos N se calcula a partir de la exposicin:N +1 = (33)Siendo AB la velocidad relativa de A respecto a B (ec.8).3.3. Alimentaciones mltiples y extracciones lateralesA veces se presentan casos en los que 2 o ms mesclas de alimentaciones de las mismas sustancias, pero de distinta composicin, se deben destilar para obtener los mismos productos. Para resolver este problema por el mtodo McCabe Thiele, la recta de enriquecimiento por encima de la alimentacin A1 se construye de forma usual. La que est entre las dos alimentaciones se construye desde el punto de interseccin de la recta q1, de la alimentacin ms rica en componente voltil, con la de operacin superior, con una pendiente L1 / V1; donde L1 y V1 son las corrientes de lquido y vapor en esta zona de la columna. Estas corrientes se calculan al realizar un balance molar en el plato de alimentacin superior:L1 = L + q1 A1V1 = V + (q1 1) A1La recta de operacin para la zona de agotamiento se construye uniendo el punto (XR, XR), con el punto resultante de la interseccin entre la recta de operacin entre las dos alimentaciones y la recta q2 de la condicin del alimento A2. Fijada una relacin de reflujo, el nmero mnimo de platos se obtiene por el mtodo usual, y las alimentaciones se introducen en la etapa cuya construccin de diagrama de equilibrio y x seala la recta q respectiva en la siguiente figuraUna extraccin lateral es cualquier corriente de producto distinta a la del producto de cabeza o del residuo. En la figura demuestra, la corriente E representa una extraccin lateral. El nmero de platos de la columna, y el plato de extraccin se obtienen al trazar los escalones entre las rectas de operacin y la de equilibrio. Al igual que en el caso de alimentaciones mltiples, se deben trazar previamente las diferentes ecuaciones de las rectas de operacin en los distintos tramos de la columna.

a) Esquema de la instalacin

b) Operacin en el diagrama de equilibrio

FIGURA09. Rectificacin con alimentacin mltiple.

a) Esquema de la instalacin

b) Operacin en el diagrama de equilibrio

Figura Rectificacin con una extraccin lateralPara ello se supone que la extraccin lateral se realiza en forma lquida, estando dicha corriente a su punto de burbuja. Las distintas ecuaciones de las rectas de operacin son: Zona por encima de la extraccin lateral: Y= (26a)Zona entre la extraccin lateral y la alimentacin:Y= (34)Zona por debajo de alimentacin:Y= (35)Calculando las dos primeras rectas es suficiente, ya que si se unen el punto de corte de la lnea de operacin segunda, con la recta q y el punto (XR, XR), se obtiene la recta de agotamiento.3.4. Eficacia de platosEl nmero de platos necesarios para realizar una separacin dada se puede calcular como se ha descrito anteriormente. En ellos se considera que las corrientes que abandonan cada plato estn en equilibrio, y esto en realidad no es cierto. Por lo que se necesitara un mayor nmero de platos para realizar la destilacin propuesta. Para el clculo de nmeros de plato o etapas reales se pueden utilizar 3 tipos de eficacia: global, de Murphree y puntual o local. La eficacia global se define como el cociente entre el nmero de etapas tericos y el nmero reales de etapas necesarias para una separacin determinada: n= 100(%)(36)Sin embargo, se suele considerar que en caldera se alcanza el equilibrio, y se descuenta una etapa; con lo que la eficacia global ser: n= 100(%)(37)La eficacia de Murphree es funcin de cada plato y se define como la razn entre el cambio real conseguido en la composicin y el que tendra lugar si se alcanza el equilibrio: = 100(%)(38)En la que Yn es la concentracin real de la fase vapor que sale del plato n, Yn-1 es la concentracin real de la fase vapor que entra al plato n, Y*n es la concentracin del vapor en equilibrio con el lquido que sale del plato n.Tambin se puede definir una eficacia de Murphree referida a la fase liquida:= 100(%)(39)La eficacia de Murphree puede obtener valores superiores a la unida (superior al 100%), ya que el vapor producido a partir del lquido que llega al plato es ms rico en componente voltil que el producido a partir del lquido que lo abandona. Puede ocurrir que se produzca un vapor de composicin media ms rica que la correspondiente al equilibrio. Esto sucede a menudo en columnas grandes.La eficacia local o puntual se define de forma anloga a la de Murphree pero considerando un solo punto del plato. Se utiliza muy poco en la prctica, ya que es necesario conocer las variaciones de la concentracin en los diferentes puntos del plato.3.5. Dimetro de la columnaPara el clculo del dimetro de las columnas de platos, es necesario realizar ciertas consideraciones previas. Debido a que por el interior de la columna circular en contracorriente el lquido que desciende y el vapor que sube hacia la cabeza, puede darse el fenmeno de anegamiento. En la columna de platos, el anegamiento se debe a que la perdida de presin que experimenta la corriente de vapor y el caudal del lquido, son los suficientemente elevados para que los conductos de bajada no pueda pasar la corriente de lquido, de un plato al inferior, sin que ello provoque que el nivel del lquidos en los platos exceda la distancia que existe entre ellos.La velocidad a la que ocurre el anegamiento se obtiene mediante la ecuacin de Souders Brown:(40)En la que PL y PG son las densidades de lquido y vapor, respectivamente; mientras que K es un coeficiente funcin de distintas variables.El valor del coeficiente K pude obtenerse, para platos perforados y de campana, a partir de la figura siguiente, en la que en ordenadas se representan los valores de K frente a (WL / WG) . Las diferencias curvas se corresponden a las distintas distancias entre platos, siendo wL y wG los caudales de las corrientes liquidas y de vapor, respectivamente.En las columnas de platos, suelen ocurrir que la corriente gaseosa ascendente arrastre gotas de lquido, desde un plato hacia su inmediato superior. Del mismo modo, la corriente liquida puede arrastrar burbujas hacia los platos inferiores.

Figura deFactor K para inundacin de platos (adaptado de King, 1980).

Arrastre de vapor provoca una disminucin en la eficacia de los platos, adems de aumentar el flujo entre etapas. Para evaluar este efecto, s define el arrastre como la razn entre los moles de lquido total que desciende. El valor de esta correlacionado con el porcentaje de anegamiento y con la relacin (figura 15). Se aconseja que las columnas trabajen a valores de inferiores a 0.15.El clculo del dimetro de la columna se inicia obteniendo el valor de funcin , para una distancia entre platos determinada, se obtiene el valor del coeficiente de anegamiento K. para un valor del arrastre , alrededor de 0.1 se obtiene el porcentaje de anegamiento , Como no toda la seccin del plato es efectiva, se puede suponer que solo un 70% de la misma se activa. Por ello, la verdadera velocidad de circulacin de la corriente gaseosa ser:

(41)Si el caudal de vapor que circula por la columna es V, la seccin transversal de la columna se obtiene al dividirse este vapor por la densidad de flujo, que a su vez es la velocidad de circulacin por la densidad. Al combinar con la ecuacin anterior, para columnas de seccin cilndricas, el dimetro de la columna se obtiene a partir de la siguiente ecuacin:

(42)

3.6. Columnas de agotamientoEn aquellos casos en que interese separar cantidades pequeas del componente ms voltil del componente ms pesado. Suelen utilizarse las denominadas columnas de agotamiento. En estas columnas, la corriente de alimento se introduce en forma lquida por la cabeza de la columna, lo que hace que no exista zona de enriquecimiento, si no tan solo de agotamiento. La corriente de alimento sirve como reflujo, que asegura la rectificacin en el interior de la columna. Este tipo de operacin los vapores que abandonan la columna por su cabeza son condensados y se obtienen como corriente de destilado.Suponiendo que se cumplen las hiptesis de Mc Cabe- Thiele, la corriente de lquido que circula por la columna coinciden con la del alimento, mientras que la de vapor coincide con la de destilado.

(43)Por lo que la recta de operacin se transforma en la ecuacin:

Ecuacin de una recta que pasa por el punto de la diagonal , y cuya pendiente es:.

(44)Para el clculo del nmero de etapas se debe trazar una nica recta de operacin, la de agotamiento. En el diagrama de equilibrio esta recta de agotamiento pasa por el punto de coordenadas . Adems, esta recta pasara por el punto de coordenadas , que se corresponde con el punto de abscisas:

Una vez obtenido esta recta de operacin se trazan escalones entre la curva de equilibrio y esta recta, iniciando el trazado por el punto hasta que llegue a la composicin del alimento.4. RECTIFICACION DISCONTINUASEn determinada ocasiones la cantidad de alimentos a destilar no es muy alta, y la operacin en continuo puede resultar costosa, siendo ms adecuado efectuar la destilacin por cargas o en discontinuo. Operando en discontinuo, se carga el calderin con la mezcla a destilar y mediante calentamiento de la misma se hace circular los vapores formados atreves de una columna de rectificacin. La composicin del destilado depende de la composicin de la carga, del nmero de platos y de la razn de reflujo utilizada.Cuando se inicia el proceso, el destilado es rico en el componente ms voltil, mientras que la mezcla del calderin se ira empobreciendo de este componente. A medida que avanza la destilacin, la corriente de destilado es cada vez ms pobre en componente voltil, y el residuo se va enriqueciendo del componente ms pesado.La operacin en discontinuo se puede llevar acabo de forma que la composicin del destilado sea constante, para lo cual se deber cambiar continuamente la razn de reflujo. Tambin se puede operar de forma que la razn de reflujo permanezca constante, con lo que la composicin del destilado ira disminuyendo. De cualquier forma, para la resolucin de los problemas que se plantean se va a suponer que se cumplen las hiptesis de Mc Cabe_ Thiele.Las columnas utilizadas en este tipo de operacin son la misma que cuando se opera es continuo, pero sin la corriente de alimento. Cabe destacar que la cantidad de destilado obtenido en un instante determinado (D) se obtiene en funcin del caudal de la corriente de destilado D (t) segn la expresin:

(45)

Mientras que la composicin media del destilado es funcin de la composicin de la corriente de destilado:

(46)4.1. Operacin con composicin de destilado constanteSi se supone que inicialmente se carga el calderin con moles de la mezcla separar, cuya composicin en componente voltil es, al cabo de un cierto tiempo de operacin se habr obtenido un destilado D de composicin. Al realizar un balance global y de componente ms voltil para toda la columna:

(47)Que permite obtener la expresin:

En la que , son constantes, mientras que Y R son variables con el tiempo.Cuando la operacin se desarrolla a composicin de destilado constante , se debe ir variando la razn de reflujo al iniciar el calentamiento de la mezcla cargada se crea una corriente de vapor ascendente a lo largo de la columna, y mediante un condensador colocado en la cabeza de la columna se obtiene un destilado, del cual una parte se devuelve como reflujo y la otra se va acumulando en el recipiente del destilado. Al cabo de un cierto tiempo de operacin t, en el calderin restan R moles de la mezcla, mientras que se ha obtenido una cantidad de destilado D. el vapor que condensa da lugar a las corrientes y D (t):

Si el calor suministra en la caldera es constante , el caudal de vapor lo ser. Sin embargo, deber ser variable para mantener constante la composicin de destilado. El que sea variable implica que la razn de reflujo tambin lo sea.Para obtener la variacin de R con el tiempo debe realizarse un balance deferencial a lo largo de la columna:

Sustituyendo los valores de RydR/dt en esta ltima expresin se obtiene:

Ecuacin que se puede integrar con la condicin lmite: para tiempo inicial t=0 la composicin de la mezcla en la caldera es :

(48)Esta ecuacin permite calcular el tiempo de operacin, para una columna en la que se conoce el nmero de platos, y se desea obtener un residuo de composicin . Para calcular el valor del trmino integral se debe trazar distintas rectas de operacin dependiente desde el punto de la diagonal , y mediante el diagrama de equibrio, se trazan grficamente el nmero de etapas para obtener en cada caso un valor de , lo que permite obtener el valor de la relacin del reflujo . a partir de los datos obtenidos se puede evaluar el termino integral de forma grfica o numrica, y de esta forma se resolver el problema planteado.Si el caudal de calor que se suministra en la caldera es constante, el caudal de vapor que se crea tambin ser, con lo que:

(49)Siendo el calor latente molar.Si durante el transcurso de la operacin se va ajustando continuamente el reflujo para que la composicin de la corriente de destilado no variara, en un instante cualquiera se cumple:

(50)Y la cantidad total del reflujo que fluye asa debajo de la columna se puede obtener a partir de la integracin de esta expresin:

Adems, el calor que se extrae en el condensador para obtener el reflujo durante toda la destilacin, ser:

(51)Ecuacin que puede integrarse si se conoce la relacin existente entre la relacin de reflujo y la corriente de destilado.

4.2. Operacin a razn de reflujo constanteSi la columna trabaja a reflujo constante, la composicin de la corriente de destilado ira variando con el tiempo de destilado. Si el calor sumistrado en la caldera es constante, el caudal de vapor tambin ser, con lo que al ser constante, la razn de reflujo, el caudal que circula por la columna tambin ser constante.Al realizar los balances globales y de componente puede obtenerse la expresin:

A partir de la que se obtiene:

Que para un instante determinado cumple:

Ecuacin que puede integrarse con la condicin lmite: para tiempo inicial t=0 la composicin del residuo es , lo que permite obtener la conocida ecuacin de Rayleigh:

Para resolver el termino integral se debe recurrir a una integracin grafica o numrica. Si se conoce el nmero de platos o etapas tericas de la columna y la relacin de reflujo, o bien la relacin , el, modo de resolver la integral se describe a continuacin. Se fija un valor de composicin de destilado , desde el punto de la diagonal que se corresponde a este valor de destilado se traza una recta de pendiente Entre esta recta y la curva de equilibrio se construyen un numero de escalones igual al de platos de la columna, con lo que se obtiene su correspondiente valor de composicin de residuo . Se repite la operacin con diferentes valores la composicin de destilado, utilizando rectas con la misma pendiente de la primera, obtenindose en cada caso el valor correspondiente de composicin de residuos. Para cada valor de composicin de residuo se obtiene el valor de y representan estos valores frente a los del residuo.

Si se desea determinar el tiempo de operacin es necesario realizar un balance global, del que se obtiene:

De la integracin de esta ecuacin diferencial se obtiene el tiempo de operacin:

(52)Pero si se presenta que el calor aportado en el calderin es:

(53)5. Destilacin por vapor directoPor regla general, el calor aportado a una columna de destilacin se realiza de modo indirecto mediante un intercambiador de calor sin embargo, existen casos en que se utiliza el proceso de destilacin por arrastre con vapor de agua. As es el caso cuando uno de los componentes de la mezcla es agua y se retira como residuo, o bien si el agua forma una segunda fase inmiscibles. Tambin se utiliza este tipo de destilacin cuando se mezcla a destilar posee un elevado punto de ebullicin y pueda dar lugar a la descomposicin trmica de los componentes. El vapor de agua se hace pasar directamente a travs de la mezcla liquida contenida en el destilador, debiendo ser muy baja la solubilidad del vapor de agua en el lquido. Al operar de este modo, se puede prescindir de la caldera, aunque se necesitan ms platos en la columna (figura 1.16.). La seccin de enriquecimiento de la columna no queda afectada, sin embargo, en la zona de agotamiento los balances de materia y energa globales quedan afectadas.Si C es el caudal de vapor que se alimenta a la columna, los balances globales, de componentes voltiles y de energa, en la zona de agotamiento, se expresan:

Teniendo en cuenta las hiptesis que se cumplen al aplicar el mtodo de Mc Cabe- Thiele:, la recta de agotamiento quedara en la forma:

(54)Se puede observar que para el valor de la ordenada en el origen es nulo , lo que, implica que, en el diagrama de equilibrio, la recta de agotamiento pasa por el punto , en el lugar del punto .

Destilacin con vapor directo.

Con la hiptesis de Mc Cabe- Thiele se supone que el calor latente de las mezclas son iguales. Sin embargo, en general, si es el calor latente de la mezcla y es el calor latente del vapor de agua, si se desprecian los calores sensibles se cumple:

Por lo que:

Y la recta de agotamiento de expresar segn la ecuacin:

(55)BIBLIOGRAFIA Mc Cabe Smith Harriet - Operaciones Unitarias en Ing. Qum. ( 4 Ed)

Perry Green Manual del Ingeniero Qumico Vol.II (McGraw Hill 7 Ed. 2001) Coulson Richardson Ingeniera Qumica Vol. II (Revert 1981)

Treybal opraciones de transferencia de masa( Mc Graw Hill 2 Ed. 1980 2 Ed)

Geankoplis Procesos de Transporte y Op. Unitarias (3Ed) ANEXO:FIGURA N10 DESTILACION EN UNA INDUSTRIA PETROLERA

FIGURAN11: DESTILACION FRACCIONADA

FIGURA N12: SIMULACION DE DESTILACION FRACCIONADA

Universidad Nacional Amaznica de Madre de DiosFacultad de INGENIERACARRERA Profesional de Ingeniera AGROINDUSTRIAL

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