tema 2 proceso de separacion
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Máster en Ingeniería Industrial Diseño de procesos químicosTema 2
Tema 2
Procesos de separación
Se trata de estudiar cómo funcionan y se diseñan lasunidades de operación más comunes, en las que no ocurrenreacciones químicas, empleadas en la industria química.
• Introducción a los procesos de separación• Procesos de separación en la industria química:
Destilación - Absorción• Diseño de torres de platos de destilación y absorción
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Bibliografía recomendada
• Calleja G. (Editor). Introducción a la Ingeniería Química. Síntesis (1999).
• McCabe W.L., Smith J.C. y Harriot P. Operaciones básicas en Ingeniería Química (7ª
Edición). McGraw-Hill (2007).
• Perry R.H. Manual del Ingeniero Químico (7ª Edición). McGraw-Hill (2001).
• Welty J.R. Wicks C.E. y Wilson R.E. Fundamentos de Transferencia de Momento,
Calor y Masa. Limusa Wiley (1999).
• Treybal R.E. Operaciones de Transferencia de Masa. Mc Graw & Hill (2000).
• Geankoplis C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias (4ª edición). CECSA
(2006).
• Henley E.J. y Seader J.D. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en
Ingeniería Química. Reverté (1988).• Coulson J.M. y Richardson J.F. Ingeniería Química: Operaciones Básicas (3ª Edición.
Tomo II). Reverté (1981).
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INTRODUCCIÓN
Tema 2
Objetivo: Obtener un producto con una determinada calidad
En cualquier proceso industrial químico
Proceso de
preparación de lamateria prima
REACTOR
Transformaciónde la materiaprima
Proceso de separación /
purificación de productos/recuperación de materiasprimas
Materiaprima
Productos
Reacciones químicas y biológicas- Destilación- Absorción
- Adsorción- Decantación- Centrifugación- …
o Las unidades de operación deben operar lo máseficazmente posible.
o El producto debe cumplir una determinadacalidad.
o Deben cumplirse aspectos de seguridad.
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INTRODUCCIÓN
Tema 2
Clasificación de las principales operaciones unitarias:
Transporte de fluidos: principios que determinan el flujo y transporte.
Transporte de calor: principios que determinan la acumulación ytransferencia de calor y energía.
Transporte de masa: principios que determinan la acumulación y
transferencia de materia.Cantidad de movimiento Calor Materia
• Fluidización
• Sedimentación
• Microfiltración
• Ultrafitración• Ósmosis inversa
• Mezcla
• Emulsificación
• Centrifugación
• Flotación
• Refrigeración
• Congelación
• Evaporación
• Pasteurización• Esterilización
• Escaldado
• Secado
• Cristalización
• Liofilización
• Destilación
• Extracción
• Lixiviación
• Adsorción• Secado
• Cristalización
• Liofilización
• Ósmosis inversa
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INTRODUCCIÓN
Tema 2
Técnicas de separación industriales
(1) Creación de una segundafase, inmiscible con la fasede alimentación
¿cómo? Aporte de calor,trabajo de unamáquina, reducción depresión
Los componentes son
separados pordiferencia devolatilidad
(2) Introducción de unsegundo fluido
(3) Empleo de un sólido
¿cómo? 2º fluido (solvente) esselectivo por una delas especies y/o alterala volatilidad de lamezcla
Una subsecuente etapade separación esrequerida pararecuperar el solvente
El sólido adsorbeselectivamente a
alguna de las especies
En una etapa posterior,el sólido es tratado
para recuperar la
especie adsorbida yregenerar el sólido
¿cómo?
(4) uso de una membrana La membrana permiteel paso selectivo deuna de las especies
¿cómo?
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INTRODUCCIÓN
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Método de separación Fase de la alimentación Agente de separación Fase creada o añadida Principio de separación
Equilibrio flash Líquido y/o vaporDisminución de la presión o
transferencia de calor Vapor o líquido Diferencia de volatilidad
Destilación Líquido y/o vapor Transferencia de calor Vapor o líquido Diferencia de volatilidad
Absorción gaseosa Vapor Absorbente líquido Líquido Diferencia de volatilidad
Stripping Líquido Absorbente gas Vapor Diferencia de volatilidad
Destilación extractiva Líquido y/o vaporSolvente líquido y transferencia de
calorLíquido y vapor Diferencia de volatilidad
Destilación azeotrópica Líquido y/o vapor ?? Líquido y transferencia de calor Líquido y vapor Diferencia de volatilidad
Extracción líquido-liquido Líquido Solvente líquido Segundo líquido Diferencia de solubilidad
Cristalización Líquido Transferencia de calor SólidoDiferencia de solubilidad o
punto de fusión
Adsorción gaseosa Vapor Adsorbente sólido SólidoDiferente tendencia a la
adsorción
Adsorción líquida Líquido adsorbente Sólido SólidoDiferente tendencia a
adsorber
Membranas Líquido o vapor Membrana MembranaDiferente permeabilidad o
solubilidad
Extracción supercrítica Líquido o vapor Solvente supercrítico Fluido supercrítico Diferencia en solubilidad
Lixiviación Sólido Solvente líquido Líquido Diferente solubilidad
Secado Sólido o líquido Transferencia de calor Vapor Diferencia volatilidad
Tomada del Libro de Seider, Seader y Lewin “Process desing
principles, 1999 (Cap. 5 Tabla 5.1)
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Gas-Líquido
Absorción-Desorción, Destilación, Evaporación, Condensación,
Humidificación (Enfriamiento del aire)/Deshumidificación
Líquido-LíquidoExtracción
Sólido-Líquido
Adsorción/Desorción, Intercambio Iónico, Lixiviación, Cristalización
Gas-Sólido
Adsorción/Desorción, Sublimación, Condensación directa, Secado, Liofilización
Técnicas de separación industriales
Las que involucran contacto directo de dos fases inmiscibles:
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Tema 2
Operaciones de separación Gas-Líquido: Absorción-Desorción, Destilación
Se basa en la diferencia devolatilidad de las distintas
especies involucradas en el
sistema.
Destilación:
Se basa en introducir un fluido externo,
un líquido (absorción) o un gas
(desorción) de tal manera que sea capazde solubilizar de manera selectiva uno o
más componentes de la alimentación
primitiva.
Absorción/desorción:
Gas
Líquido
absorbente
Gas
depurado
Solución
Alimentación
Destilado
Productos
intermedios
Residuo
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Cómo se realiza la separación en las columnas?
Contacto por etapas
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Etapa idealEficacia de una etapa
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Tema 2
Modelo de etapa de equilibrio
Etapa ideal
Ln-1, xn-1Vn, yn
Ln, Xn Vn+1, yn-1
Etapa ideal: El vapor (Vn) y el líquido (Ln) se comportan como ideales y el vapor y ellíquido que salen de la etapa están en equilibrio
P
)T(P
x
yK
ºk
k
kk =
(Ley de Raoult)
10
)P,T(P
P
x
yK
k
0
kk Φ
⋅
⋅
=
=
γ
φk coef. de fugacidad en el vapor
γk coef. de actividad del líquido
f k0 coef. de fugacidad comp. puro
P° presión de vapor del comp. puro
P presión del sistema
Cómo se realiza la separación en las columnas?
…Contacto por etapas
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Tema 2
Definición de eficacia de los platos:
• En destilaciones sus valores oscilan habitualmente entre el (60-90)%.
• En extracción en mezcladores – sedimentadores suelen variar entre el 70-85%, enextracciones en torres de platos entre el 15-25%.
• En absorción con reacción química alrededor del 40%.
EFICACIA GLOBAL (E0): Es el cociente entre el número de etapas de equilibrio y el deetapas reales requeridas para llevar a cabo una determinada separación. Ej., en torres dedestilación de hidrocarburos E0 = 60 %
EFICACIA MURPHREE (EM): Se define para cada etapa como el cociente de la diferencia deconcentraciones que se alcanza en una etapa real respecto de la que se obtendría si la
etapa fuera de equilibrio (*). Es una de las más utilizadas:
E ficacia Murphree de plato (E M ):
1n,i
*
n,i
1n,in,i
MGyy
yyE
=
1n,i
*
n,i
1n,in,i
MLxx
xxE
=
11
…Contacto por etapas
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INTRODUCCIÓN
Tema 2
Para que la eficacia de los platos sea grande, se ha de conseguir que:
1. El tiempo de contacto entre las fases sea grande.
2. La superficie de interfase sea grande.
3. La turbulencia generada en el líquido sea intensa.
Por tanto, para una alta eficacia será necesario un nivel profundo de líquido y una
alta velocidad de paso de gas: baja velocidad de paso del líquido para que el gas esté
finamente dispersado.
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Eficacia de los platos:…Contacto por etapas
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INTRODUCCIÓN
Tema 2
¿Cómo se realiza la separación en las columnas?
Contacto continuo
Tipos de relleno
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columnas de relleno o empacadas
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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Gas desalida
Distribuidor delíquido
Líquidode
entrada
Gas deentradaLíquido
desalida
Secciónempacada
Sección
empacada
Tomada del McCabe, et al. (Fig. 18.1)
- Conceptos de absorción/desorción
- Aplicaciones industriales
- Tipos de disolventes y selección
- Curva de operación- Consideraciones:
- Sistemas diluidos
- Sistemas no diluidos
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
DESORCIÓN: Eliminación de un soluto de una corriente líquida por medio de una
corriente gaseosa selectiva hacia uno o más componentes de la alimentación.
Ej: Eliminación del amoníaco de una corriente líquida mediante aire.
La absorción se realiza en desorbedores o “strippers” .
ABSORCIÓN: Eliminación de un soluto de una corriente gaseosa por medio de undisolvente líquido selectivo hacia uno o más solutos presentes en la alimentación.
Ej: Eliminación del amoníaco de una corriente gaseosa mediante agua líquida.
La absorción se realiza en absorbedores o “scrubbers” .
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
Principales usos industriales de la absorción:
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
Depende principalmente de la naturaleza del soluto, de su concentración, delporcentaje de eliminación deseado y de las condiciones de operación.
Tipos y elección de disolventes usados en absorción :
Concentración del soluto alta (10-50%): Líquido no volátil y no reactivo
(disolvente físico).
Concentración del soluto baja (1-10%): Líquidos capaces de reaccionarrápida y reversiblemente con la impureza (disolvente químico).
Concentraciones del soluto muy bajas (inferior al 1%): Disolventes químicos
que reaccionen de manera irreversible.
Otras propiedades a considerar- La solubilidad del gas, debe ser elevada, para aumentar la rapidez de la absorción.
- La volatilidad del disolvente, debe ser baja, ya que el gas que sale de la torre de absorción salegeneralmente saturado con el solvente.
- Otros: corrosividad, toxicidad, etc.
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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Gas, G con una concentración de soluto y p
Líquido, L, con una concentración de soluto x p
N
1
L0
LN
G1
GN+1
L G
yp > y* (concentración desoluto que estaríaen equilibrio con la
composición dellíquido xp)
xp < x* (concentración desoluto que estaríaen equilibrio con lacomposición del
gas yp)
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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Gas, G con una concentración de soluto y p
Líquido, L, con una concentración de soluto x p
N
1
L0
LN
G1
GN+1
L G
Línea de operaciónLínea de operación, (L/V)min
Línea equilibrio
x0 xN xn*
y0
yN+1
yN*
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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Línea de operación: Se calcula a través del BM. Es la línea que pasa por todos los puntos
de operación (continua en torre de relleno, discontinua en torre de platos).
N
1
L0
LN
G1
GN+1
L G
Balance global
10 GLGL
Balance soluto
1100 GyxLyGLx
Balance global
1N1N0 GLGL
Balance soluto
11N1N00 GyxLyGLx
G
LxGyx
G
Ly 0011
Recta de operación
1N
0011
1N
N
G
LxGyx
G
Ly
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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Línea de operación: Se calcula a través del BM. Es la línea que pasa por todos los puntos
de operación (continua en torre de relleno, discontinua en torre de platos)
Si L y G: son ctes Línea recta
Si L y G: no son ctes No es una línea recta: Hay que calcular los diferentes BMsobre distintas secciones de la columna
N
1
L0
LN
G1
GN+1
L G
1N1 GGG
N0 LLL ≈
G
LxGyx
G
Ly 01
Si L y G son ctes:
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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En estos casos puede ser útil linealizar la línea de operación haciendo un balance libre de soluto(subíndice S). El proceso a seguir para su cálculo es similar al visto para el caso diluido, aunqueahora se debe tener en cuenta que los caudales de gas y de líquido varían a lo largo de la columna altransferirse mayores cantidades de soluto de una fase a otra.
Si no son sistemas diluidos:
L y G ≠cte línea de operación no es una recta
Línea de equilibrio no es una recta
y1GGS
x1LLS
S
S0S1
S
S
G
LXGYX
G
LY
x1xX
y1
yY
Y moles de soluto en el gas por mol de gas inerte.
X moles de soluto en el líquido por mol de disolvente no volátil
Balance de materia en el soluto:
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ABSORCIÓN/DESORCIÓN
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x es la fracción molar de soluto en el líquido.
y* es la fracción molar de soluto en el gas en
equilibrio con el líquido.
kh sería la constante de la ley de Henry, la
cual depende de la naturaleza del soluto y
de las fases, de la presión y de la
temperatura.
xkyh
*=
S
S0S1N
S
S1N
G
LXGYX
G
LY
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DESTILACIÓN
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Tomada del Libro de Sinnott and Towler (Fig. 11.1)
- Principios de funcionamiento- Tipos de destilación- Partes de una torre de destilación- Ecuaciones en una etapa, caso
general- Destilación en una etapa o “flash”- Destilación binaria- Concepto de reflujo mínimo, total y
óptimo
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DESTILACIÓN
Se basa en la diferencia de volatilidad de las distintas especies involucradas en el sistema.
En la destilación la fase gaseosa se enriquece en la especie más volátil y la fase líquida en
la de menor volatilidad.
Para conseguir separaciones altas se ha de repetir el proceso muchas veces.
Las aplicaciones de la destilación son variadas: preparación de licores, separar fracciones
de petróleo, depurar mezclas líquidas, etc.
Se emplean sistemas discontinuos para producciones pequeñas, o cuando la pureza del
destilado no tiene que ser muy alta.
En producciones grandes se emplean sistemas en continuo, por ejemplo en las refinerías
de petróleo.
En las destilaciones en continuo el vapor se puede generar de manera continua o en
etapas (por medio de platos).
Tipos: destilación discontinua, destilación “Flash” y destilación continua.
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DESTILACIÓN
DESTILACIÓN DISCONTINUA: estado no estacionario o por lotes
Analogía con el laboratorio
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DESTILACIÓN
DESTILACIÓN “FLASH” O DESTILACIÓNCONTINUA EN UNA ETAPA
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DESTILACIÓN CONTINUA POR ETAPAS
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DESTILACIÓN
Partes de una torre de destilación
Zona de rectificación: por encima del
plato de alimentación
Zona de agotamiento: por debajo del
plato de alimentación
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DESTILACIÓN CONTINUA POR ETAPAS
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DESTILACIÓN
Está formada por las siguientes partes: condensador (parte superior), columna y
evaporador o calderín (parte inferior).
El condensador situado en cabeza de columna condensa total o parcialmente el vapor
que se obtiene en la última etapa. Una parte de este líquido es el producto destilado,
enriquecido en el compuesto de mayor volatilidad, y el resto se recircula a la columna
(reflujo), para que sea el líquido de la etapa superior.
El evaporador o calderín evapora parcialmente el líquido de la última etapa. Este vapor
se emplea en la etapa inferior. El líquido que se mantiene en el evaporador está
enriquecido en el compuesto menos volátil.
La alimentación líquida se introduce en la parte central de la columna, en general, en el
punto en el que el líquido del interior de la columna tiene una concentración similar.
Para modificar la cantidad y calidad del producto: i) aumentar la cantidad de
recirculación; ii) cambiar la cantidad de etapas en equilibrio. En el primer caso se
requiere más energía, y en el segundo se aumenta el coste de la columna.
Cada columna se optimiza en función de las necesidades específicas del proceso.
DESTILACIÓN CONTINUA POR ETAPAS
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DESTILACIÓN
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ECUACIONES EN UNA ETAPA, caso general
Etapa ideal
Ln-1, xn-1 Vn, yn
Ln, Xn
Vn+1, yn-1
Fn,zn Sn,xn
Q
Para cada componente i, en la etapa n:
BM: nnnnnnnn1n1n1n1n z·Sx·Ly·Vz·Fx·Ly·V
BE: nnLnn
Vnnnf n
L1n1n
V1n1n h·Sh·LH·VQh·Fh·LH·V
Equilibrio (ideal):P
P
x
yK i
i
ii
°
=
Sumatorio ∑ ∑ n,in,i yx
Ecuaciones MESH:(material balance, equilibrium, summation and heat)
Esto también se escribe, para el condensador yel calderín.
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DESTILACIÓN
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Punto de rocío y punto de burbuja
Para determinar la temperatura de la etapa, del condensador y del calderín es
necesario calcular la temperatura de rocío y la temperatura de burbuja.
Líquido saturado Punto de burbuja ∑ ∑
= 1xKy iii
Vapor saturado Punto de rocío∑ ∑
=
1K
yx
iii
Recordando el concepto de volatilidad relativa de un compuesto A respecto a otro B
El valor de este parámetro representa la mayor o menor facilidad de separar un
compuesto respecto a otro:
B
A
A
B
A
A
B
B
A
A
B,AK
K
y
x
x
y
xP
xP
=
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DESTILACIÓN
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Recordando el concepto de volatilidad relativa de un compuesto A respecto a otro B
Diagrama de equilibrio para una mezcla binaria
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
Destilación flash
BM
x·Ly·Vx·F F
LVF
(1)
(2)
V
L
xx
xy
F
F
(3)
BE
Unidad Flash
F (mol/h)V (mol/h)
L (mol/h)
zF, hF, PF, TF
y, H
x, h
F’
Q
h·LH·VQh·F f n
(4) F·hF
QH·Vh·L F
V
F·h
F
QHh·
V
LF
VL1·h
FQHh·
VL
f VL
F
Qhh
F
QhH
f
f
−
+
+
(5)
Cómo se interpretan (3) y (5) en un diagrama de equilibrio
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
V
L
xx
xy
F
F
V
L
F
Qhh
F
QhH
f
f
−
+
+
… Destilación flash
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
Destilación continua multietapa
Zona de rectificación o enriquecimiento
Zona de agotamiento
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
Zona de rectificación o enriquecimiento
Objetivo: Obtener un producto con la pureza deseada
D
LR 0
=
Reflujo (R):
… Destilación continua multietapa
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
BM:
D·xL·xV·y Dnn1n1n
DLV n1n
(1)
(2)
D1n
Dn
n
1n
xy
xx
L
V
=
(3)
(condensador total)
O bien
=
1n
nDDn
1n
n1n
V
L·xxx·
V
Ly
(4)
Si L/V es constante y LV
L
D
L
R
1R
xx·
1R
Ry D
n1n
(5)
Zona de rectificación o enriquecimiento
… Destilación continua multietapa
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DESTILACIÓN
38
DESTILACIÓN BINARIA
1Rxx·
1RRy Dn1n
Método de McCabe-Thiele
D1n
Dn
xy
xx
L
V
=
Zona de rectificación o enriquecimiento
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7/23/2019 Tema 2 Proceso de Separacion
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Máster en Ingeniería Industrial Diseño de procesos químicosTema 2
DESTILACIÓN
39
Zona de agotamiento o inferior
C·xV·yL·x Cmm1m1m
CVV m1m
Cm
C1m
1m
m
xyxx
LV
=
=
m
1mCC1m
m
1mm
V
L·xxx·
V
Ly
(1)
(2)
(3)
(4)
BM:
Si L’/V’ es constante
=
'V
'L1·xx·
'V
'Ly C1mm
(5)
DESTILACIÓN BINARIA
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DESTILACIÓN
40
DESTILACIÓN BINARIA
=
'V
'L1·xx·'V
'Ly C1mm
Cm
C1m
xyxx
LV
=
Método de McCabe-Thiele
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Zona de agotamiento o inferior
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DESTILACIÓN
41
Zona de alimentación
DESTILACIÓN BINARIA
Factor q
F
LLq 1f f
≡
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DESTILACIÓN
42
DESTILACIÓN BINARIA
N o de platos de una torre de destilación:
(a) líquido subenfriado: q > 1(b) líquido saturado: q = 1
(c) mezcla de vapor y líquido: 0 < q < 1(destilación flash q =1-f)(d) vapor saturado: q = 0(e) vapor sobrecalentado: q< 0
Plato de alimentación: ¿Cómo entra la alimentación a la torre?
F
LLq 1f f
≡
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DESTILACIÓN
43
DESTILACIÓN BINARIA
N o de platos de una torre de destilación:
Plato de alimentación: F·qL'L
F)·q1('VV
La línea de alimentación, o línea q, será el lugar geométrico de todas lasalimentaciones posibles, la cual estará definida por la intersección de las dos líneas deoperación, superior e inferior.
Sección de enriquecimiento: V·yL·xD·x 1nnD
Sección de agotamiento: 'V·yC·x'L·xmC1m
=
yyy
xxx
m1n
1mn
=
=
V·yL·xD·xD =
'V·yC·x'xLC =
Restando estas ecuaciones:
F
L’ V’
L
L’
V… Destilación continua multietapa
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DESTILACIÓNDESTILACIÓN BINARIA
N o de platos de una torres de destilación:
Plato de alimentación:
F
L’ V’
L
L’
V
)'VV·(yC·xD·x)'LL·(x CD
Además de: F·q'LL
F)·q1('VV
F·xC·xD·x FCD =
Fxq1
1x
q1
qy
Recta de alimentación
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DESTILACIÓN
45
DESTILACIÓN BINARIA
Reflujo total, mínimo y óptimo:
1R
xx·
1R
Ry D
n1n
Reflujo Total D = 0 y R=∞
D
LR 0
=
N o
de platos mínimos
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DESTILACIÓN
46
DESTILACIÓN BINARIA
Reflujo total, mínimo y óptimo:
1R
xx·
1R
Ry D
n1n
Reflujo mínimo , Rmin
D
LR 0
=
N o de platos infinito
1R
x
min
D
+
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DESTILACIÓN
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DESTILACIÓN BINARIA
Reflujo total, mínimo y óptimo:
Reflujo mínimo , Rmin
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DESTILACIÓNDESTILACIÓN BINARIA
Reflujo óptimo
Se suele situar entre 1.2 y 1.5 veces el reflujomínimo.
Reflujo total, mínimo y óptimo:
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