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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

Sect

or d

e en

rique

cim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

o

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 Yn100% B 0% B

Tem

pera

tura

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

Sect

or d

e en

rique

cim

ient

o

Sect

or d

e ag

otam

ient

oLn, 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

RAXXXX

AD

RD

ADXXXXAR

A, XA

D, XD

R, XR

Sect

or d

e en

rique

cim

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

rique

cim

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

rique

cim

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

rique

cim

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

DLDX

DLXL

VDX

VXLY

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

rique

cim

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

rique

cim

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

RLRX

RLXL

VRX

VXLY

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 1 Vcte...VV mm 1

Sector agotamiento:


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

DLRD

111

D

D

D

DDn R

XR

RDL

DXXDL

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(yFv

xFl

XFF

F 1

fX

xf

)f(y F

1

Destilación súbitaF, XF

v, y

l, x


Líneas de operación

fX

xf

)f(y F

1

111

D

D

D

Dn R

XR

RY

RLRX

RLXLY

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-Xb) 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 fe) 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

Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XA XDXR




Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XA XDXR

L.A.




Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.




Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.

L.O.S.A.




Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, 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.númeroideales.platos.númeroplato.eficacia

Vm vssaturado.vapor

V)TT(Cm entradasalidapAFfría.agua


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


Condiciones límites de operación

Aumento de la razón de reflujo


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR



Disminución de la razón de reflujo


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR

Número mínimo de pisos



Reflujo Total


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR

Número infinito de pisos



Reflujo mínimo



RDopt = 1,2-2 RD min


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR



Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR



Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR



Frac

ción

mol

ar e

n el

vap

or, y

XDXR


a) Aumento RD b) 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 ebulliciónii) 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

6078

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

xxf

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

974405453

11.x.

..x

.

.R

xxR

RyD

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

910

1112


Cálculo de caudales

kmol/h .VV f 7252290

kmol/h ...DLV 7252290551675178

kmol/h 178.675L .L.

DLRD

055153


Caudal másico de vapor de agua en la caldera

Vm vsvs

kg/h .).(

))(.(Vmvs

vs 832936533767572229


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 obtenidob) Ecuaciones de las dos rectas de operaciónc) Número de pisos teóricos de la columnad) Piso teórico en que debe introducirse el alimentoe) 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

143981226 .

.

.DLRD

23.076.014.495.0

14.414.3

11

xx

Rxx

RRy

D

D

D

D

hkmolVV /20.8 )10000( 82000

c) Calculo del número de platos


50.f

8.05.04.0

5.05.011

Xxf

xxf

fy F


Datos de equilibrio

)x()y(x

y

BB

AA

AB

xy

xy

1

1

PxPy

PxPy BB

BAA

A

00

;

3//

0

0

0

0

B

A

B

A

B

B

A

A

AB PP

PPPP

xy

xy


Datos de equilibrio

xxy

)x()y(x

y

AB 2133

11

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


0

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

0,80,9

1

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


0

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

0,80,9

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

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

0,80,9

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

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

0,80,9

1

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


0

0,10,2

0,3

0,4

0,50,6

0,7

0,80,9

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

,eficaciateóricos pisos nºreales pisosºn

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