Post on 27-Mar-2020
Columnas de Extracción Multicomponente: Un Nuevo
Método de Diseño
Dpto. Ingeniería Química
Juan A. Reyes* Mª Mar OlayaA. Gómez A. MarcillaEQUIFASE 99
2(S)1(I)
E(1)
P(1)
R(o)
E(o)
rectas de reparto
R(n)
N
R(2)A(1)
∆(1)
∆(2)
∆(3)
rectas operativas
E(3)
R(3)
E(4)
R(4)
curva binodal
R(1)
E(2)
3(D)
Cálculo de una columna de extracción
- Superficies de Equilibrio- Método de cálculo de las intersecciones de dichas superficies con las rectas operativas.- Cálculo de Rectas de Reparto.
Ponchon y Savarit ExtendidoHunter y Nash
Columnas de Extracción Multicomponente
Aprovechando estos conceptos se propone un
procedimiento para el diseño de extractores líquido-
líquido para la separación de mezclas cuaternarias, que
permite calcular el número de etapas y el caudal de
disolvente necesario para conseguir una determinada
separación entre los solutos.
E(n)y(2,n)
E(1)y(2,1)
R(0)x(2,0)
R(1)x(2,1)
E(2)y(2,2)
R(n-1)x(2,n-1)
R(2)x(2,2)
E(0)y(2,0)
R(n)x(2,n)
1 2 j n
E(3)y(2,3)
Columnas de Extracción Multicomponente
Para desarrollar el método de diseño propuesto es necesario:
- Correlacionar los extremos de rectas de reparto (para poder predecir el equilibrio líquido-líquido conocida la composición de una de las fases).
- Ajustar la superficie de solubilidad (para el cálculo de las intersecciones entre las rectas operativas y las superficies de solubilidad).
Equilibrio Líquido-Líquido
+
⋅
⋅+
⋅++
⋅+
⋅+=
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xF
)2(x)4(xED
)2(x)4(xC
)2(x)4(xBA
)j(y)i(ylog
22
22
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xI
)2(x)4(xHG
⋅
⋅+
⋅++
Correlación de rectas de reparto
Ajuste de la superficie de solubilidad
( ) )'DM'C()4(x)1(x)'BM'A()4(x)3(x +⋅++⋅+⋅=+
( ) ( )++⋅+⋅+⋅++⋅+⋅+⋅=+ )4(x)1(x)FMEMD()4(x)1(x)CMBMA()4(x)2(x 222
)IMHMG(+ 2 +⋅+⋅
)2(x)4(x)4(xM
+=
Las correlaciones anteriormente descritas permiten realizar las siguientes operaciones:
i) Dada la composición inicial de una fase acuosa, conocer la composición de la fase orgánica en equilibrio.
ii) Dada la composición de un punto de mezcla global, obtener la composición de las fases en equilibrio en que se desdobla.
Equilibrio Líquido-Líquido
ResultadosResultados
Los sistemas considerados son:
Sistema 1: Agua + Acetona + 1-Butanol + 1-Propanol
Sistema 2: Agua + Acetona + 2-Butanona + 1-Propanol
Sistema 3: Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acético
Extracción Líquido-Líquido
Resultados Correlación de Rectas de Reparto
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acético
0
5
10
15
20
25
70 75 80 85 90 95 100X(1)
Y(1)
CalculadaExperimental
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acético
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14x(2)
y(2)
CalculadaExperimental
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acético
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3x(3)
y(3)
CalculadaExperimental
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acético
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30x(4)
y(4)
CalculadaExperimental
Resultados Correlación Superficies de Solubilidad
Como se puede comprobar, los resultados obtenidos al reproducir el equilibrio mediante la correlación propuesta son altamente satisfactorios
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acéticoProyecciones de Cruickshank, P1
200
210
220
230
240
250
260
265 270 275 280 285 290 295 300x(1)+x(4)
x(3)
+x(4
)
ExperimetalCalculada
Sistema Agua + Acetona + Cloroformo + Ácido acéticoProyecciones de Cruickshank, P2
200
205
210
215
220
225
230
235
240
245
250
265 270 275 280 285 290 295 300
x(1)+x(4)
x(2)
+x(4
)
Experimental
Calculada
ValidaciValidacióón del mn del méétodo de disetodo de diseññoo
Con el fin de comprobar la validez del método de diseño propuesto, los resultados obtenidos se han contrastado con los que resultan de la aplicación de un programa de simulación comercial (ChemCad III) que a pesar de ser un método de simulación permite recalcular el problema, a partir de los resultados obtenidos por el método de diseño propuesto.
Cálculo de columnas de extracción multicomponente
Una vez validadas las correlaciones propuestas ya se pueden utilizar para el diseño de la columna de extracción.
Resultados diseño de un extractor multicomponente. Fase refinado
Nº de pisos
x(2)Fase Refinado - Comp. 2
Método Propuesto ChemCad IIINº de pisos
x(1)Fase Refinado - Comp. 1
Método Propuesto ChemCad III
Nº de pisos
x(3) Fase Refinado - Comp. 3
Método Propuesto ChemCad IIINº de pisos
x(4) Fase Refinado - Comp. 4
Método Propuesto ChemCad III
Resultados diseño de un extractor multicomponente. Fase extracto
Nº de pisos
y(2) Fase Extracto - Comp. 2
Método Propuesto ChemCad IIINº de pisos
y(1) Fase Extracto - Comp. 1
Método Propuesto ChemCad III
Nº de pisos
y(4) Fase Extracto - Comp. 4
Método Propuesto ChemCad IIINº de pisos
y(3) Fase Extracto - Comp. 3
Método Propuesto ChemCad III
Conclusiones del método propuesto para el diseño de un extractor líquido-líquido
1.- El procedimiento desarrollado para el diseño de columnas de extracción conduce a resultados muy satisfactorios, sobre todo al considerar la escasez de métodos de diseño, propiamente dichos, y la desviación que, en general, suele existir entre los datos de equilibrio experimentales y los que predicen los modelos termodinámicos existentes.
2.- El método propuesto se ilustra mediante su aplicación a sistemas cuaternarios del Tipo I. Sin embargo, la extensión a sistemas de otro tipo o de más de cuatro componentes podrá hacerse utilizando exactamente la misma secuencia de cálculo. Lo único que variará será la forma de las funciones matemáticas que describen las correlaciones entre los puntos de equilibrio y la forma de la superficie de solubilidad.
Como punto final, cabe destacar, que esta forma de abordar el problema no ha sido contemplada hasta ahora, a pesar de las ventajas evidentes que aportaría, como pueden ser:
- Simplicidad desde el punto de vista conceptual y didáctico
- Facilidad en la elaboración de los programas de ordenador
- Posibilidad de extensión al caso de un mayor número componentes
- Capacidad para la resolución del problema de diseño
Resultado del método propuesto para el cálculo de las fases en equilibrio en que se desdobla una mezcla heterogénea
Una vez más, los resultados obtenidos mediante la correlación propuesta son muy satisfactorios al compararlos con el modelo UNIQUAC.
Sistema 1Proyección de Cruickshank, P1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
20 30 40 50 60 70 80 90 100
x(1)+x(4)
x(3)
+x(4
)
Experiment.Método PropuestoUNIQUAC
S is tem a 1P ro yecc ió n d e C ru icksh an k , P 2
0
5
10
15
20
25
20 30 40 50 60 70 80 90 100x (1 )+ x (4 )
x(2)
+x(4
)
E xp erim en ta lM éto d o P ro p u estoU N IQ U A C
2222
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xi
)2(x)4(xhg
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xf
)2(x)4(xed
)2(x)4(xc
)2(x)4(xba
)2(y)3(ylog
⋅
⋅+
⋅++
⋅
⋅+
⋅++
⋅+
⋅+=
2222
)1(x)2(xlog
)2(x)4(x'i
)2(x)4(x'h'g
)1(x)2(xlog
)2(x)4(x'f
)2(x)4(x'e'd
)2(x)4(x'c
)2(x)4(x'b'a
)1(y)2(ylog
⋅
⋅+
⋅+++
⋅
⋅+
⋅++
⋅+
⋅+=
2222
)1(x)2(xlog
)2(x)4(x''i
)2(x)4(x''h''g
)1(x)2(xlog
)2(x)4(x''f
)2(x)4(x''e''d
)2(x)4(x''c
)2(x)4(x''b''a
)3(y)4(ylog
⋅
⋅+
⋅+++
⋅
⋅+
⋅++
⋅+
⋅+=
Equilibrio Líquido-Líquido
+
⋅
⋅+
⋅++
⋅+
⋅+=
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xF
)2(x)4(xED
)2(x)4(xC
)2(x)4(xBA
)j(y)i(ylog
22
Correlación de rectas de reparto
1)4(y)3(y)2(y)1(y =+++
22
)1(x)2(xlog
)2(x)4(xI
)2(x)4(xHG
⋅
⋅+
⋅++