tema 7 rectificación tema 7. operaciones bÁsicas de transferencia de materia: rectificaciÓn...

Tema 7 Rectificación

TEMA 7.

OPERACIONES BÁSICAS DE

TRANSFERENCIA DE MATERIA:

RECTIFICACIÓN

INDICE

1. INTRODUCCIÓN.

2. TIPOS DE DESTILACIÓN.

3. RECTIFICACIÓN.

3.1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

3.2. DISEÑO DE COLUMNAS DE PLATOS

4. PROBLEMAS PROPUESTOS.


La destilación es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla. Para

llevar a cabo la operación se aprovecha la diferencia de volatilidad de los constituyentes de la mezcla, separando o fraccionando éstos en función de su temperatura de ebullición. Se usa para concentrar mezclas alcohólicas y separar aceites esenciales así como componentes de mezclas líquidas que se deseen purificar

INTRODUCCIÓN

TIPOS DE DESTILACIÓN


Esquema de una columna de platos sencilla

Alimento

Acumulador

Condensador Destilado

Residuo

Sec

tor

de

enri

quec

imie

nto

Sec

tor

de

agot

amie

nto

Caldera

Platos



Esquema de una columna de platos

TIPOS DE PLATOS


NOMENCLATURA

Plato n

Plato n+1

Plato n-1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2


TA

TB

Concentración

0% A 100% AXn Yn

100% B 0% B

Tem

per

atu

ra

Xn-1 Yn+1


Representación de las corrientes que entran y abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio T-X-Y

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n

A, XA

D, XD

R, XR

Sec

tor

de

enri

quec

imie

nto

Sec

tor

de

agot

amie

nto

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II


Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia


RDA

RDA RXDXAX

RD

RA

XX

XXAD

RD

AD

XX

XXAR

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Total

Componentevolátil

Balance global


A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Total

Componentevolátil

DLV nn 1

Dnnnn DXXLYV 11

DL

DX

DL

XL

V

DX

V

XLY

n

D

n

nn

n

D

n

nnn

11

1

Balance sector enriquecimiento

Línea operativa sector enriquecimiento

L.O.S.E.

DestilaciónTema 7 Rectificación

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

riqu

ecim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Total

Componentevolátil

Balance sector agotamiento

Línea operativa sector agotamiento

L.O.S.A.

RLV mm 1

Rmmmm RXXLYV 11

RL

RX

RL

XL

V

RX

V

XLY

m

R

m

mm

m

R

m

mmm

11

1


Sector enriquecimiento:

Hipótesis Mc Cabe

Lcte...LL nn 1 Vcte...VV nn 1

Lcte...LL mm 1Vcte...VV mm 1

Sector agotamiento:


L.O.S.E. en función de la razón de reflujo

D

LRD

111

D

D

D

DDn R

X

R

R

DL

DXX

DL

LY

Razón de reflujo

V L

LV

F

(1-f) F

f F


- Si f =0, el alimento será líquido a su temperatura de ebullición

- Si f =1, el alimento será vapor a su temperatura de condensación

- Si 0< f <1, el alimento será una mezcla líquido vapor.

Alimentación

F)f(LL 1

fFVV


Línea de alimentación

lxvyFX F

fyx)f(yF

vx

F

lX

F

FF 1

f

Xx

f

)f(y F

1

Destilación súbitaF, XF

v, y

l, x


Líneas de operación

f

Xx

f

)f(y F

1

111

D

D

D

Dn R

X

R

RY

RL

RX

RL

XLY

m

R

m

mmm

1

En la diagonal Y=X, se cumple:

X=XD

X=XF

X=XR


Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

a) Se dibuja la curva de equilibrio Y-X

b) Se sitúan los puntos XD, XF y XR sobre el diagrama.

c) Se dibujan los puntos X=XD, X=XR y X=XF,, que como sabemos pertenecen a las

líneas L.O.S.E., L.O.S.A. y L.A. respectivamente.

d) Se traza la L.A. una vez conocido f

e) Se traza L.O.S.E. una vez conocido RD

f) Se traza L.O.S.A. desde X=XR hasta el punto de corte de L.A. y L.O.S.E. (se

puede demostrar que las tres líneas tienen un lugar geométrico común).

g) Se construyen los escalones como se indica en la figura 7.10. Los escalones se apoyan en la L.O.S.E en el sector de enriquecimiento y en la L.O.S.A. en el de agotamiento. Se empieza en XD y se termina en XR. Cada escalón se corresponde con

una etapa ideal de equilibrio. Si el último escalón no es completo se calcula la parte proporcional de escalón que le corresponde.

h) Se localiza el plato de alimentación como aquel escalón que cruza con la L.A.

i) Se cuentan los escalones, identificándolos con platos ideales. Uno de ellos será siempre la caldera.

Fracción molar en el líquido, x

Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XA XDXR




Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XA XDXR

L.A.




Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.




Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.

L.O.S.A.




Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XA XDXR

1

2

3

4





j) Se calcula el número de platos reales, conocida la eficacia de plato (que varía entre 0 y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba. Así:

k) se calculan las necesidades energéticas de la columna, conocidos los calores latentes de cambio de estado, :

reales.platos.número

ideales.platos.númeroplato.eficacia

Vm vssaturado.vapor

V)TT(Cm entradasalidapAFfría.agua


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


Condiciones límites de operación

Aumento de la razón de reflujo


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR



Disminución de la razón de reflujo


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR

Número mínimo de pisos



Reflujo Total


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR

Número infinito de pisos



Reflujo mínimo



RDopt = 1,2-2 RD min


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR



Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR



Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR



Fra

cció

n m

olar

en

el v

apor

, y

XDXR


a) Aumento RDb) Disminución RD

c) Reflujo total d) Reflujo mínimo

Se desea diseñar una columna de rectificación para separar 10.000kg/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno, con el fin de obtener un producto de cabeza (destilado) con 97% de benceno y un producto de cola (residuo) con 98% de tolueno. Todos estos porcentajes están en peso. Se utilizará una relación de reflujo externa de 3,5. El calor latente de vaporización, tanto del benceno como del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol. El calor latente del vapor de agua saturado es de 533,6 cal/g.

a) Calcular los caudales de destilado y residuo producidos.

b) Determinar el número de platos ideales y la situación del plato de alimentación en los siguientes casos:

i) la alimentación entra como líquido a su temperatura de ebullición

ii) la alimentación consiste en una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de líquido.

c) Calcular el caudal másico de vapor de agua que se necesita en cada caso para la calefacción, despreciando pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado.

d) Si el agua de refrigeración llega al condensador a 25ºC y sale a 65ºC, calcular el consumo de agua en litros por minuto.

Datos de equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg

X 0 0,0169

0,1297

0,2579

0,4113

0,5810

0,7801

1

Y 0 0,0389

0,2613

0,4561

0,6320

0,7767

0,9002

1

PROBLEMA 4.1



44020

9260

7840

7840

,X F

97440

923

7897

7897

,X D

02350

9298

782

782

,X B

h/kmol ...

F 511692

60

78

4010000


Calculo de caudales de destilado y residuo

BDF

BDF BXDXFX

kmol/h 05.51D

kmol/h45.65B

)0235.0()9744.0(

)4402.0)(5,116(

BD

hkmolBD / 5,116


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

pendiente de rectaf

xx

f

fy F1

Línea de alimentación (f=0)



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

Línea alimentación (f=0)

216507778054

97440

54

53

11.x.

.

.x

.

.

R

xx

R

Ry

D

D

D

D

Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD


LOSE (y= 0.7778x+0.2165)


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD


LOSE (y= 0.7778x+0.2165)

LOSA

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD


Sector enriquecimiento 1

23

4

5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD


Sector enriquecimiento 1

23

4

5

Sector Agotamiento

6

7

8

9

10

1112


Cálculo de caudales

kmol/h .VV f 7252290

kmol/h ...DLV 7252290551675178

kmol/h 178.675L .

L.

D

LRD

055153


Caudal másico de vapor de agua en la caldera

Vm vsvs

kg/h .).(

))(.(Vm

vsvs 83293

6533

767572229


Consumo de agua de refrigeración

kcal/h ))(.(V)TT(mC esp 1763101767572229

l/min 734.6 kg/h .))((

m

54407725651

1763101

13.75 platos (alimentación 7º).

Solución para f=2/3


kmol/h .V 05152

kmol/h .V 725229

kg/h mvs 2187

l/min 734.6 kg/h .m 544077

Calcular la razón de reflujo mínima y el número mínimo de platos para cada uno de los casos de alimentación del problema anterior.

PROBLEMA 4.2



Número mínimo de platos

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD


Razón de Reflujo mínima

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

f= 0



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

0.39= XD/(RDmin +1) Rdmin =1.50



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

f= 2/3



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

X

Y

XFXR XD

0.30= XD/(RDmin +1) Rdmin =2.25

Se desea rectificar una mezcla ideal de dos componentes A y B, siendo el valor de la presión de vapor del componente más volátil (A) tres veces mayor que la del otro componente (B) a la misma temperatura. El alimento, con un caudal de 5 kmol/h, entra en la columna mitad vapor y mitad líquido, con un 40% en moles del componente A. El destilado debe tener una concentración molar de A del 95% y el residuo del 4% en el mismo componente.

Si en el condensador de cabeza de columna se eliminan 82000 kcal/h,. Calcular:

a) Caudal de destilado obtenido

b) Ecuaciones de las dos rectas de operación

c) Número de pisos teóricos de la columna

d) Piso teórico en que debe introducirse el alimento

e) Número de pisos reales si la eficacia de plato es de 0,8

Datos: El calor latente de vaporización de cualquier mezcla de ambos componentes vale =10000 kcal/kmol, independientemente de la temperatura.

PROBLEMA 4.3


a) Caudales de destilado y residuo


h/kmol BDF 5

BDF BXDXFX

).(B).(D).)(( 040950405

kmol/h .D 981

kmol/h .B 023

b) Condensador


hkcalV / 82000

kmol/h ...DVLDLV 226981208

143981

226.

.

.

D

LRD

23.076.014.4

95.0

14.4

14.3

11

xx

R

xx

R

Ry

D

D

D

D

hkmolVV /20.8 )10000( 82000

c) Calculo del número de platos


50.f

8.05.0

4.0

5.0

5.011

Xx

f

xx

f

fy F


Datos de equilibrio

)x()y(x

y

BB

AA

AB

xy

xy

11

P

xPy

P

xPy BB

BAA

A

00

;

3/

/0

0

0

0

B

A

B

A

B

B

A

A

AB P

P

PP

PP

xy

xy


Datos de equilibrio

x

xy

)x()y(x

y

AB 21

33

11

x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1y 0 0,429 0,667 0,818 0,923 1


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

8.0 Xy


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

23.076.0 xy


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

9 pisos; alimentación = 5º


1080

8

,eficacia

teóricos pisos nºreales pisosºn

tema 7 rectificación tema 7. operaciones bÁsicas de transferencia de materia: rectificaciÓn...

Documents