Rectificación en Torres de Platos
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T RECTIFICACION EN TORRES DE PLATOS
1. LA RECTIFICACION COMO PROCESO BASADO EN LA TRANSFERENCIA DE MATERIA.
2. CARACTERISTICAS DE OPERACION DE UN SISTEMA DE RECTIFICACION POR ETAPAS.
2.1 Balances de materia y energía2.2 Relación de reflujo2.3 Líneas de operación2.4 Condiciones de la alimentación
![Page 2: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/2.jpg)
3. CARACTERISTICAS DE DISEÑO3.1 Determinación del número de tapas teóricas
- Método de Mc. Cabe-Thiele - Método de Ponchon-Savarit- Método de Sorel-Lewis
3.2 Situación del punto de alimentación3.3 Cálculo del diámetro de la columna3.4 Necesidades de calefacción y refrigeración3.5 Diseño de platos
4. EFICACIA Y PLATOS REALES
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Rectificación (fraccionamiento):
Por etapas en contracorriente
Variación discontínua de concentración
Torres de platos
Contínua en contracorriente
Variación contínua de concentración
Torres de relleno
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Torres de
rectificación
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Secc
ión
de
rect
ifica
ción
Secc
ión
de
agot
amie
nto
Enfriador de colas
Condensador
Acumulador
Calderín
Ref
lujo
Producto de colas
Producto de cabezas
Bomba de reflujo
Plato de alimentación
CondensadoPurgador
Vapor
Líquido
Alimentación
Agua fría
Enfriador
Vapor de agua
Alimentación
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Esquema de Proceso
REFLUJO
CALDERÍN
DESTILADOCONDENSADOR
ALIMENTACIÓN
RESIDUO
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L0 L1L2 Ln
V1 V2 Vn-1 Vn+1
Etapa1
Etapa2
Etapan-1
Etapan
Ln-1
Vn
……
………………..
Operación por etapas
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Zonas de Operación
W, XW
V’, YW L’, XN
L, XLV, Y1
D, XD
Zona de enriquecimiento
Zona de agotamiento
F, XF
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• El vapor y el líquido están a temperatura de ebullición.
• Estado estacionario.
• Contradifusión estacionaria NA = - NB
• Conocido : P, F, xF , datos de equilibrio.
• Impuesto: D, xD, W, xW
• A calcular: Nº de etapas, calor en calderín y refrigeración, Diámetro, Diseño de platos, Plato alimentación
Funcionamiento del sistema
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2.- CARACTERÍSTICAS DE OPERACION
2.1 Balances de materia y energía
2.2 Relación de reflujo
2.3 Líneas de operación
2.4 Condiciones de la alimentación
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WDF +=
WDF xWxDxF +=
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
−−
=
−−
=
⇒
WD
FD
WD
WF
xxxx
FW
xxxx
FD
CWDBF qhWhDqhF ++=+
Balances de materia:
Balance de energía:
qc
DxD
LxL
V
FxF
V´ L
qB
WxW
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RELACIÓN DE REFLUJO
Balances al condensador:
Total DLV
Parcial
Entálpico
y1 = xL = xD ⇒ hL= hD⇒
+=1
DL DxLxyV +=11
DLC DhLhqHV ++=11
DC hDLHVq )(11 +−=
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Multiplicando por L:
L+D = V1 ⇒
[ ]C
D
qLhDLHV
L)(11 +−
=
DC hDLHVL
qL
)(11 +−=
)( 11 DC hHVL
qL
−=
Multiplicando por 1/D:
L+D = V1 ⇒
DC h
DDL
DHV
Dq +
−= 11
DhDL
DHDL
Dq DC )()( 1 +
−+
=
)()1( 1 DC hH
DL
Dq
−−+=
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Relación de reflujo externa RD: L/D
Relación de reflujo interna RV: L/V
RV = RD / RD+1
Relaciones de reflujo
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Funcionamiento interno
Ln-2
Xn-2
Ln-1
Xn-1
Ln
Xn
Ln+1
Xn+1
Vn+1
Yn+1
Vn+2
Yn+2
Los platos se enumeran de arriba abajo.
Las corrientes tienen subíndices del plato que salen.
Vapor : fase ligera, concentración Y
Líquido: fase pesada X.
Ocurre una pequeña destilación en cada plato.
Lo que sale del mismo plato está en equilibrio.
Fuera de los platos no hay transferencia.
Vn
Yn
Vn-1
Yn-1
Plato n - 1
Plato n
Plato n + 1
Ln+1
Xn+1
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Tn
xnyn
**
P = cte
xn-1
*
yn+1
Destilación en un plato
*
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Sección de rectificación
L1
L2
Ln
F,xF
y2
yn
yn+1, xn
x2
x1
V1
y1
D, xDL, xD
Vn+1 = Ln + D
Vn+1 yn+1 = Ln xn+ D xD
yn+1 = (Ln / Vn+1)xn+ (D xD / Vn+1)
Línea superior de operación:
Balances: cabeza plato n
V2
Vn
Vn+1xn
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Sección de agotamiento
F, xF
W, xW
Lm+1
ym+1xmLm
yN
xNyW
Vm
Vapor de agua
LN
Lm = Vm+1 + W
Lm xm = Vm+1 ym+1 + W xW
Línea inferior de operación:
ym+1= (Lm/Vm+1)xm – (W xW/Vm+1)
ym
Vm+1
Balances: plato m+1 colas
VN
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Fracción líquida de alimentación φ
Moles de alimentación que entran como líquido saturado / moles totales de alimentación.
L’= L+ φFV= V’+ (1- φ)F
Condiciones de la alimentación
Φ = Hsat - hsat
__________Hsat - hF
*
hsat
xF
Hsat
hF
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Condiciones de Alimentación
Líquido frío, φ >1 Líquido en ebullición, φ =1
Líquido-Vapor, 0< φ <1 Vapor saturado, φ =0 Vapor recalentado, φ <0
Indice
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Métodos de determinación del nº de etapas
· McCabe - Thiele
· Ponchon - SavaritM. Gráficos
M. Analíticos Sorel - Lewis
3. CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO
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Método Mc. Cabe
• Gráfico (diagrama de equilibrio)• Sencillo manejo• Pocos datos necesarios• No exacto• Aproximación: líneas de operación rectas• Válido en general
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Balance energético al plato n :
Vn+1 H n+1 + L n-1 h n-1 + ΔM = V n H n + L n h n + Q
Sustituyendo : H = h + λ
( V n+1 h n+1 ) + ( V n+1 λ n+1 ) + ( L n-1 h n-1 ) + ΔM =
= ( V n h n) + ( V n λ n ) + ( L n h n ) + Q
n-1
n
n+1Vn+1
Vn
Ln
Ln-1
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Tomando como temperatura origen Tn : ⇒ h n = 0
Compuestos de volatilidad parecida :
⇒ T n-1 ≅ T n ≅ T n+1
⇒ h n-1 ≅ h n ≅ h n+1
Compuestos de tipo químico similar : ⇒ ΔM = 0
Aislante: ⇒ Q→ 0
V n+1 λ n+1 = V n λ n
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Regla de Trouton : λ 1 / Teb 1 = λ 2 / Teb 2
λ 1 ≅ λ 2 ⇒ Vn ≅ V n+1
⇒ V ≅ cte
Balance a la cabeza : V = L + D
⇒ L ≅ cte
⇒ L / V ≅ cte ⇒ L’ /V ’ ≅ cte
Rectas de Operación :y = D x D / V + x L / V
y = - W x w / V ’ + x L’ / V ’
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Método Mc. Cabe
xDxW
1
2
3
4
5
6 línea de operación inferior
fracción mol de A en el liquido, x
fracción mol de A en el vapor, y
y = DxD / V + x L / V
y = -WxW / V’ + x L’ / V’ línea de operación superior
(y1, x1)
(y2,x1)
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Influencia de la alimentación
(V-V’)y = (L-L’)x + DxD + WxW
DxD+ WxW = FxFBalance global:
L-L’ = -ΦF
V-V’ = (1-Φ)F(1-Φ)Fy = -ΦFx + FxF
Recta q de alimentación: y = (-Φ/ 1- Φ)x + xF/ 1- Φ
Vy = Lx + DxD
V’y = L’x - WxW
Rectas de operación
(V-V’)y = (L-L’)x + FxF
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Método Mc. Cabe
xDxFxW
1
2
3
4
5
6
Plato de alimentación
y1
x1
(y1, x1)
fracción mol de A en el liquido, x
fracción mol de A en el vapor, y
(y2,x1)
Fracción de plato:x5 - xW
x5 – x6
_____
y = DxD / V + Lx / V
y = -WxW / V’ + L’x / V’
y = (-Ø/1- Ø)x + xF/1-Ø
q
línea de operación inferior
línea de operación superior
x5
(y2,x1)
x6
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Recta de alimentación
aa- líquido subenfriado, φ > 1
XF
b
b- líquido saturado, φ = 1c
c- mezcla L - V, 0< φ < 1d
d- vapor saturado, φ = 0e
e- vapor sobrecalentado, φ < 0
Pendiente: φ/ φ-1
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Recta de alimentación
aa- líquido subenfriado, φ > 1
XF
b
b- líquido saturado, φ = 1c
c- mezcla L - V, 0< φ < 1d
d- vapor saturado, φ = 1e
e- vapor sobrecalentado, φ < 0
Pendiente: φ/ φ-1
XDXW
![Page 32: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/32.jpg)
Relación de reflujo máxima
xDxW
D = 0
L = V
L/V = 1
NTmínimo
(L/V)max > (L/V)op
![Page 33: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/33.jpg)
Relación de reflujo mínima
xDxW
NTmáximo
xF
(L/V)min < (L/V)op
![Page 34: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/34.jpg)
Selección de la relación de reflujo
Cos
te a
nual
Relación de reflujoMínimoOptimo
Coste t
otal
Costes fijos
Costes de funcionamiento
![Page 35: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/35.jpg)
Diagrama Entalpía-ComposiciónComposición del vapor, y
Composición del líquido, x
Enta
lpía
(KJ/
Kg)
, H, h
F
V
Recta de reparto
Método Ponchon - Savarit
*
*
*
L
![Page 36: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/36.jpg)
Escisión y mezcla
(Reglas de la palanca)
* S
T
*
R + S = T
T = R + S
T – R = S
R (RT) = S (ST)
R (RS) = T (TS)
*
R
R
T
T
S
R
S
SR
T
![Page 37: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/37.jpg)
qc
DxD
LxL
V
FxF
V´ L
qB
WxW
Método Ponchon - Savarit
![Page 38: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/38.jpg)
F·hF + qB = D·hD + qC + W·hW
Balance calorífico al sistema (no adiabático):
F·hF = D ( hD + qc/D ) + W ( hW – qB/W)
Proceso “adiabático”: F·hF = D·H’D + W·H’W
H’D = hD + qc/D H’W = hW – qB/W
Punto de alimentación (F):
Polo superior de operación (D´)
Polo inferior de operación B´) (xW, H’W)
(xD, H’D)(xF, hF)
Línea global
![Page 39: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/39.jpg)
Método de Ponchon - Savarit
D’H, h (KJ/Kg.)
Con
V
L
XDXW
B’
XF
FhF
hWW
qB/W
qc/D
hDD
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Trazado de etapas
H, h(KJ/Kg.)
Con
V
L
XD
D’
XW
B’
XF
FhF
*
*
*
V1
L1
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XF
LnL
1V
DX
F
WX
1+nV
m
n
Para un plato cualquiera:
En la cabeza:
( ) ( )DVVDLL nnnn ′=′ ++ 11
( ) ( )DVVDLL ′=′ 11
Relación de reflujo real:
nmm
DVLVDV
DLDV
VL
real+
=′+
′=
′
′=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
11
11
1
D’
B’
B’min
D’min
nmm
DLDV
VL
+=
′′
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛´
´
min
min1
min1
Relación de reflujo mínima:(recta de reparto)
Relación de reflujo
m´
![Page 42: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/42.jpg)
Trazado de etapas
H, h(KJ/Kg.)
Con
V
L
XD
D’
XW
B’
XF
FhF
m
n
nmm
VL
+=
![Page 43: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/43.jpg)
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
XW
B’
h,H
XD
D’
V1
L1
X, Y
F
V2
L2
V3
L3
V4
L4
V5
L5
V6
L6
V7
L7
V8
L8
V9
L9
Nº de platos reales = Nº de platos teóricos - 1
Trazado de las etapas Ponchon-Savarit
![Page 44: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/44.jpg)
Fracción de plato (f) Ponchon-Savarit
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1XW
h,H
B’
XD
D’
V1
L1
F
V2
L2
V3
L3
V4
L4
V5
L5
V6
L6
V7
L7
V8
L8
V9
L9
f = X8 – XW
X8 – X9
X8
X9
![Page 45: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/45.jpg)
α = y (1 – x)x (1 – y) x =
yα (1 – y) + y
Vy =
DxD +L
Vx +y = – xWxW L’
V’V’
Equilibrio (dentro de cada plato):
Líneas de operación (cruce entre platos):
Método de Sorel - Lewis
α = cte
XD = Y1 X1 (Equilibrio)
X1 Y2 (Cruce)
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Número mínimo de platos (Fenske)
[ ]media
DWWD xxxxNαlog
)1()1(log1min
−−=+
21
1 )( Wmedia ααα =
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Situación del plato de alimentación
y
x
6 6 5 (óptimo)
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Calderín
Plato NL´
xN
V´
yWVapor de agua
mS
Condensado
L´
xN
W
xW
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Necesidades de vapor de calefacción
Calor a aportar en el calderín: qB = V´· λW
Calor que cede el vapor de agua: qB = ms· λS
mS = V´· λW/ λS
V´(=) Kg/h
qB (=) Kcal/h
λ (=) Kcal/Kg
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Necesidades de agua de refrigeración en el condensador
Calor a retirar en el condensador:
qC = V· λV
Calor que absorbe el vapor de agua:
qC = m· cp·∆T
m = V λV / ∆T
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Calderín industrial
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Cálculo del diámetro de la torre(Souders y Brown)
( )VLVCG ρρρ −= 305.0
S = V/G
V (=) Kg/h (capacidad máxima de vapor)
G (=) Kg/hm2
C : parámetro dependiente del diseño
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Distancia entre platos (pulgadas)
Distancia entre platos (cm)
Val
or d
e C
Tensió
n superf
icial
(dinas/cm
2 )
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Diseño de platos
- De barboteo
- Perforados
- De válvulas
Tipos de platos:
Otros detalles de diseño
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Campanas de barboteo
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Platos perforados
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Campanas de barboteo
![Page 63: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/63.jpg)
Platos perforados
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Platos de válvulas
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![Page 66: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/66.jpg)
![Page 67: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/67.jpg)
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![Page 72: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/72.jpg)
Detalles de diseño
• Velocidad del vapor: 0.2 – 0.6 m/s• Altura de rebosadero: > 3 cm• Separación entre platos > 40 cm• Altura de torre < 30 m• Diámetro torre: 0.3 – 10 m• Tª de trabajo: < 900 ºC
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Eficacia de plato (Murphree)
acab
xxxxE
nn
nnM =
−−
=−
−*
1
1
caba
yyyyE
nn
nnM =
−−
=+
+
1*
1
Líneas horizontales
Líneas verticales
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Platos ideales
XDXW XF
Y
![Page 75: Rectificación en Torres de Platos](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081419/5571f86e49795991698d6ad9/html5/thumbnails/75.jpg)
Línea de pseudoequilibrio
a
b
c
Xn-1XnX*n
abc
Y
X
Yn+1
Yn*
Yn
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Platos Reales
Y
XDXW XF
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Eficacia local (de punto)
*1
1
´´´´
nn
nnP xx
xxE−−
=−
− x = Σ x´
1*
1
´´´´
+
+
−−
=nn
nnP yy
yyE y = Σ y´
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Eficacia Global
realesPlatosN
idealesPlatosNEG
º
º=