TIPOS DE DESTILACIÓN
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REV. OCTUBRE.- 2009 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO AREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUIMICA UNIDAD CURRICULAR: OPERACIONES UNITARIAS II LAPSO ACADÉMICO III- 2009 COORDINACIÓN OPERACIONES UNITARIAS II ÚLTIMA REVISIÓN OCT- 2009
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REV. OCTUBRE.- 2009
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO AREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUIMICA UNIDAD CURRICULAR: OPERACIONES UNITARIAS II
LAPSO ACADÉMICO III- 2009
COORDINACIÓN OPERACIONES UNITARIAS II
ÚLTIMA REVISIÓN OCT- 2009
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Etapa de Equilibrio
Q
Calor hacia (+) o desde (-)
la etapa
LII Salida de fase liquida II en equilibrio
LI
Salida de fase liquida I en equilibrio
V Salida de vapor en equilibrio Liquido en equilibrio procedente de la
otra etapa
Alimentación de vapor
Alimentación de liquido
Vapor en equilibrio procedente de otra etapa
Fig. 1. Etapa de equilibrio representativa. Fuente: Henley – Seader, 2000
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Clasificación de la Destilación.
El proceso de destilación puede clasificarse: a.- De acuerdo al numero de componentes. b.- De acuerdo al tipo de separación. c.- De acuerdo a su operación
Binaria: cuando hay dos componentes
Multicomponentes: cuando hay mas de dos
componentes
Complejas: cuando el numero y componentes
individuales no están identificados como
componentes, seudocomponentes.
Destilación en equilibrio, instantánea o Flash
Destilación diferencial, simple por carga
Destilación por arrastre de vapor
Destilación fraccionada
Por lotes, carga o batch
Continua
Atmosférica
Al vacío
Con vapor directo, etc.
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Tipos de destilación.
Destilación simple por carga
- Sistemas binarios
- Sistemas complejos: ASTM, EFV, TBP.
Destilación diferencial
Destilación por arrastre de vapor
Destilación fraccionada
Destilación con inyección directa de vapor
En la practica, la destilación puede llevarse a cabo según dos métodos principales. El
primer método se basa en la producción de vapor mediante la ebullición de la mezcla
liquida que se desea separar y condensación de los vapores sin permitir que el liquido
retorne al calderin, es decir sin reflujo. El segundo método se basa en el retorno de una
parte del condensado a la columna, en unas condiciones tales que el liquido que retorna
se pone en intimo contacto con los vapores que ascienden hacia el condensador
( Badger, W. y Banchero, J. 1977).
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Destilación en Equilibrio, Flash.
Un flash es una sola etapa de destilación en la que la alimentación se vaporiza
parcialmente para producir un vapor mas rico en el componente mas volátil. En la Figura
2.a. se representa una alimentación liquida que se calienta a presión y se somete a una
operación adiabática de flash mediante la disminución de la presión a través de una
válvula, separándose el vapor del liquido residual en un separador. Si se suprime la
válvula, en el calentador se puede vaporizar parcialmente un liquido de baja presión y
posteriormente separar las dos fases, flash isotérmico.
Alimentación, F
xF, HF, TF, PF
ba
c
Vapor al condensador
V, yD, HV, TV, PV
Liquido. B xB, TB,HB, PB
Figura 2. Separación continua en una sola etapa de equilibrio: a) Vaporización Flash (Flash adiabático con válvula; b) flash isotérmico sin válvula). (Fuente: Henley, E.J.; Seader, J.D., (1998)
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Destilación Diferencial. Vaporización – Condensación diferencial.
Es una operación por carga en la cual la mezcla a destilar es cargada a un destilador y es
calentada a su punto de burbuja. El vapor que se forma se retira y condensa en forma
continua, no se alcanza el estado estacionario y la composición de la carga inicial varia
con el tiempo. Esto da lugar a un aumento en la temperatura y a una disminución de la
cantidad relativa de los componentes con menor punto de ebullición en la carga al
avanzar la destilación.
W, xW
V, yD
D, xD
Caldera de destilación
Q
Fig. 3. Destilacion Diferencial. Fuente: Henley, E.J.; Seader, J.D., (1998)
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Sistemas complejos
Un sistema complejo es definido como la composición de un gran número de componentes
que no es fácil identificarlos o determinar la composición de la mezcla en términos de
compuestos puros. Este tipo de sistemas es representado principalmente por mezclas de
petróleo, que es necesario caracterizarlas de manera indirecta por propiedades promedios
determinadas empíricamente.
Curva de punto de ebullición verdadero (TBP)
Las propiedades de vaporización de las mezclas de petróleo son caracterizadas por una
curva de destilación por carga donde el porcentaje de destilado o recuperado es graficado
versus la temperatura a la cual es destilada.
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Determinación analítica del número de etapas
Método de Sorel
Este método se esta basado en el calculo plato a plato involucrando alternativamente
balances de materia y entalpía y cálculos de equilibrio para determinar las cantidades de
liquido y vapor, la temperatura en cada plato y la composición de cada corriente en cada
etapa. Asume:
La presión de la destilación
La relación de reflujo de operación, L/D,
La temperatura o entalpía de la corriente de reflujo y el uso del condensador total.
Cálculos simplificados: modificación de Lewis
Lewis modifica el métodos de Sorel’s asumiendo flujo equimolar constante, lo cual es
equivalente a asumir calor latente y calor especifico equimolar y no hay calor de mezclado
y el reflujo debe ser liquido saturado.
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Ecuación de Fenske
21
log
11
log
11
11
Fondotopeprom
prom
B
B
D
D
Min
F
D
F
DMin
xx
xx
N
xx
xx
R
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Método McCabe – Thiele
Es un metodo matematico grafico para determinar el numero de platos o etapas teoricas
necesarias para la separcion de una mezcla binaria, usa balances de materia con
respecto a ciertas partes de la torre, para obtener las lineas de operación y la curva de
equilibrio xy para el sistema. Es adecuado para aquellos casos en que los dos
componentes de la mezcla binaria a separar son de tal naturaleza que sus mezclas
tienen un comportamiento cercano a la idealidad.
El modelo matematico fue desarrollado bajo el supuesto:
Flujos molares constantes, en la zona de enriquecimiento y agotamiento.
No hay perdidas de calor al exterior
El reflujo es liquido saturado
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Ecuación de Smokers-Roses.
Esta ecuación es utilizada cuando las concentraciones de las mezclas son muy bajas.
2
2
2
log
11
11
log
mc
xmc
mcx
xmc
mcx
nDn
nD
Donde :
N: es el numero de etapas requeridas para obtener la separación entre x’D y x’n
x’D = xD – k y x’n = xn – k
k: es la composición del liquido donde la línea de operación intersecta la línea de
equilibrio.
y = mx + b
c = 1 + (α – 1)/k
2fondotope
promedio
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Para aplicar este método es necesario conocer:
La fase de la alimentación
La naturaleza del condensador, si es parcial o total
Relación de reflujo a reflujo mínimo
La composición del destilado y del fondo
Se considera que la presión es constante a lo largo de la columna
Mediante este método se puede determinar:
Numero de etapas de equilibrio: N
Numero mínimo de etapas necesarias: Nmin
Reflujo mínimo: Rmin
Plato de alimentación optimo.
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Para trazar la recta de la sección de rectificación se debe realizar un balance de materia a
la parte superior de la columna, entorno I:
Vn+1 = Ln + D
Vn+1yn+1 = Lnxn + DxD
Se considera que todos los valores de L y V son iguales, así los subíndices
pueden obviarse y la ecuación resultante es:
Dnn xVD
xVL
y 1
Línea de operación de la zona de rectificación
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La ecuación correspondiente a la zona de agotamiento de la torre,
Bmm xVB
xVL
y 1
Se comprueba que para la sección de rectificación la pendiente de la recta es
L/V < 1, mientras que en la sección de agotamiento la pendiente es L’/V’ > 1
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La intersección de la línea de operación tiene lugar en un punto que es
función de la composición de la alimentación, balance de materia y energía
alrededor del plato de alimentación. Es conveniente expresarlo de las
siguiente manera:
L’ = L + qF
FLL
q
V = V’ + (1 – q)F
Donde q es el numero de moles de liquido saturado formado sobre el plato
de alimentación por introducción de 1 mol de alimentación.
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Fig. 1 Perfil de composición en estado estacionario. La columna consta de 10 etapas y se alimenta en la etapa No. 5
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Numero de etapas C
om
po
sici
ón
del co
mp
on
en
te m
as
livia
no
, fr
acc
ión
mo
lar
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Fig. 2 Perfil de composición en estado estacionario. La columna consta de 8 etapas y se alimenta en la etapa No. 4
1 2 3 4 5 6 7 8 Numero de etapas
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
Co
mp
osi
ció
n d
el
com
po
nen
te m
as
livia
no
, fr
acc
ión
mo
lar
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Fig. 3. Perfil de composición en estado estacionario. La columna consta de 12 etapas y se alimenta en la etapa No. 6
0 2 4 6 8 10 12 Numero de Etapas
Co
mp
osi
ció
n d
el co
mp
on
en
te m
as
livia
no
, Fra
cció
n m
ola
r
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Fig. 4. Perfil de composición en estado estacionario. La columna consta de 20 etapas y se alimenta en la etapa No. 5
Numero de etapas
Co
mp
osi
ció
n d
el
com
po
nen
te m
as
livia
no
, Fra
cció
n m
ola
r
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Fig. 5. Perfil de composición en estado estacionario. La columna consta de 20 etapas y se alimenta en la etapa No. 10
Numero de etapas
Co
mp
osi
ció
n d
el
com
po
nen
te m
as
livia
no
, Fra
cció
n m
ola
r
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Fig. 6. Perfil de Composición en estado estacionario. La columna consta de 20 etapas y se alimenta en la etapa No. 15.
Numero de etapas
Co
mp
osi
ció
n d
el
com
po
nen
te m
as
livia
no
, fr
acc
ión
mo
lar
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Efecto del número de platos.
- El grado de separación
Consideremos el caso base, una columna de 10 etapas. La alimentación es una mezcla
binaria que tiene una composición de 5 % molar en términos del componente mas volátil.
Efecto de la posición del plato de alimentación
Si la etapa de alimentación es movida hacia el fondo de la columna, la corriente del
componente mas volátil disminuirá en el tope mientras en la corriente de fondo
aumentara el contenido del componente mas volátil. Sin embargo, el cambio de
composición en el tope no es tan marcada como el cambio de composición en la corriente
de fondo
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Tabla No. ____ Condición térmica de la alimentación
Condición de la alimentación
GF (mol/area.tiempo)
LF (mol/area.tiempo)
HGF (energía/mol)
HLF (energía/mol)
HF (energía/mol)
LG
FGHHHH
q
1q
q
Liquido Subenfriado
0 F HF HF< HL > 1,0 > 1,0
Liquido saturado
0 F HF HL 1,0 ∞
Mezcla de liquido + vapor
GF F = GF + LF
LF HG HL HG>HF>HL LF/F 1,0 >q>0 FL
L
F
F
Vapor Saturado
F 0 HF HG 0 0
Vapor Sobrecalentado
F 0 HF HF > HG < 0 1,0>1q
q >0
