operaciones de separacion

1

Operaciones de Separación

Ingeniería Química2º QuímicaCurso 2006-07

Introducción

IntroducciónClasificación Procesos de separación

Fundamento de las operaciones de separaciónOperaciones de separación mecánicas y difusionales

EjemplosMétodos de contacto

Corrientes paralelasContracorrienteFlujo cruzado

Diagramas de equilibrioDestilación - Rectificación

Destilación de flashRectificación

2

Introducción

SEPARACIÓN REACCIÓN SEPARACIÓN

SEPARACIÓN

SEPARACIÓN

MateriasPrimas

Impurezas

Efluentelíquido

Efluentegaseoso

Reciclado decontaminantes

AireLimpio

AguaLimpia

Productos

Subproductos

SEPARACIÓN REACCIÓN SEPARACIÓN

SEPARACIÓN

SEPARACIÓN

MateriasPrimas

Impurezas

Efluentelíquido

Efluentegaseoso

Reciclado decontaminantes

AireLimpio

AguaLimpia

Productos

Subproductos

Introducción

Se utilizan en diferentes etapas del proceso:

acondicionamiento de materias primasseparación y purificación de productosreutilización de reactivoseliminación de contaminantes

Desde un punto de vista económico:Coste de inmovilizado: 50 – 90 % coste plantaCoste de operación: 40 – 70 %

Coste depende de:precios venta productosconcentración del producto interés en la mezcla inicial

3

Introducción

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-8 -6 -4 -2 0 2 4

Log (Fracción en peso en el sustrato)

Log(

Prec

io, U

S$/K

Introducción

Ejemplos a escala industrial:

Eliminación de H2S de gas naturalPurificación de aire

Recuperación de azufre y cenizas de gases de combustión

Control de contaminación de aire y agua

Obtención de triclorosilano de mezclas de triclorosilanos

Eliminación de impurezas de Si, Ga, As, etc.

Recirculación de corrientes de efluenteMicroelectrónica

Separación de productos de pulpoContaminantes de efluentes líquidos y gaseosos

Concentración de licores negrosPulpa de papel

Edulcorantes de maíz de alto contenido en fructosa

Eliminación de aflatoxinas, gossypol

Concentración de jugos de frutasAlimentos

Productos lateralesRiñón artificialRecuperación de productos de caldos diluidos

Biotecnología e Industria farmacéutica

Producción de amoniacoPurificación de productos finales

Concentración de lodosFertilizantes

Obtención de metales de sus puentes habituales

Eliminación de impurezas minerales

Metales valiosos a partir de lixiviados diluidosMetales

Separación de polímeros por pesos moleculares

Preparación de monómeros

Eliminación de disolventes y monómeros sin reaccionar

Plásticos

Fraccionamiento de crudosRecuperación de S y N de gasolinas

Recuperación de fenoles de la gasificación del carbón

Combustibles fósiles

Fraccionamiento de aire: producción de Oxígeno y Nitrógeno

Obtención de etanol absoluto

Producción de NaCl por evaporación de agua de mar

Química

FraccionamientoPurificaciónConcentraciónIndustria

4

Introducción

Forman parte de un proceso integrado de fabricación, pudiendo agruparse en:

concentración

fraccionamiento

Purificación

Clasificación atendiendo a diferentes criterios:

propiedad transportada (cantidad de movimiento, calor, materia)

Agente empleado (energético, material o barrera)

Otra posible clasificación:separaciones mecánicas

separaciones difusionales

Introduccióno Operaciones de separación mecánicas:

Operaciones de separación sólido-fluido basadas en el flujo de fluidos (sedimentación, filtración, centrifugación...)

Operaciones de separación difusionales(equilibrio):Una corriente formada por una mezcla de compuestos en una única fase que se pretende separar en 2 o más corrientes producto de diferente composición. Para ello es necesaria la presencia de una segunda fase inmiscible con la corriente inicial, que actúe como receptora de las especies químicas que se pretenden separar. Esta 2ª fase se puede generar con un AES y/o AMS (destilación, absorción, extracción…)

Operaciones de separación difusionales (no-equilibrio):No se genera ni se introduce una segunda fase. Procesos de separación basados en aplicación de barreras (membranas semipermeables) o campos para que las especies difundan con diferentes velocidades (difusión gaseosa, ósmosis inversa, electrodiálisis, permeación…)

5

Introducción

Gas-Líquido Absorción Destilación Azeotrópica Extractiva Flash Reactiva Vapor Vacío Evaporación

MECÁNICAS Centrífuga Ciclón Decantador Separador electrostático Separador de emulsionesFiltración Flotación Magnéticas Sedimentación Etc.

DIFUSIONALES

HETEROGÉNEAS HOMOGÉNEAS Espectrómetro de masas Difusión gaseosa Difusión térmica Ultracentrifugación Electroforésis

No Equilibrio Equilibrio

Membranas Ultrafiltración Electrodiálisis Pervaporación Ósmosis inversa Permeación de gases Etc.

No Membranas Adsorción cinética Destilación molecular

Cromatografía Afinidad Capilaridad LLC GSC CGS HPLC Electrocromatografía Etc.

Líquido-Sólido Adsorción Tamiz molecular Cristalización Fusión zonal Intercambio iónico Exclusión iónica Extracción S-L Lavado Secado de sólidos

Líquido-Líquido Extracción Membranas líquidas

Tres Fases

Gas-Sólido Adsorción Sublimación Tamiz molecular

Operaciones de separación mecánicas

1. SEDIMENTACIÓNSeparación de partículas sólidas existentes en una suspensión

por acción de la gravedad. Separación SÓLIDO-FLUIDO

Para que la sedimentación sea viable, se requiere que:

• La densidad del sólido sea mayor que la del fluido. Cuanto mayor sea la diferencia entre las densidades más fácil será la separación

• Las partículas tengan un tamaño suficiente (1-10 micras)

• La concentración de las partículas en la suspensión sea, al mínimo, del 0,2%.

Aplicación: Espesamiento de grandes volúmenes de suspensiones diluidas. Separación en función del tamaño de las partículas. Tratamiento aguas residuales; Fabricación cemento

6

Sedimentación

2. FILTRACIÓNSeparación de las partículas sólidas presentes en un fluido (L óG) mediante el paso del fluido a través de un MEDIO FILTRANTEo PARED SEPARADORA sobre el que se depositan los sólidos.

Las partículas sólidas quedan retenidas sobre el medio filtrante formando una torta de filtración. El crecimiento del espesor de la torta aumenta la resistencia al paso del fluido, por lo que debede aplicarse una diferencia de presiones a ambos lados del filtro. Clasificación en función de ΔP

Filtros a presión: filtrado (Patm) y suspensión (P>Patm)

Filtros a vacío: filtrado (P< Patm) y suspensión (Patm)

Filtros centrífugos: la diferencia de presiones se consigue por efecto de una fuerza centrífuga cuando el filtro se hace girar sobre su eje

7

Filtración

a) Filtro de gravedad o de arena (filtro discontinuo)

• Medio filtrante: tamiz grueso o lecho de partículas de arena

• Aplicación: Eliminación de pequeñas cantidades de sólidos de grandes volúmenes de líquido: tratamiento de aguas residuales y potables.

b) Filtro prensa o de placas y marcos (filtro discontinuo de presión)

• Aplicación: Filtrado de líquidos con gran cantidad de sólidos. Filtraciones difíciles (sólidos finos y/o líquidos viscosos).

c) Filtro de tambor rotatorio (continuo-vacío)

• Las etapas de filtración, lavado y descarga de la torta se realizan de forma automática

3. CENTRIFUGACIÓN

Separación de sólidos o líquidos de emulsiones o suspensiones mediante la actuación de una fuerza centrífuga (Ej.: separación de agua mezclada con aceites vegetales tras una etapa de extracción).

Aplicación: Se usa cuando las partículas sólidas de una suspensión no se separan por gravedad. Separación de partículas de densidad muy próxima a la del fluido. Separación de partículas de muy pequeño tamaño que atravesarían el medio filtrante.

CICLONES: gases que contienen partículas sólidas suspendidas (polvos) ó eliminación de pequeñas gotas de líquido de una corriente gaseosa

8

Ciclón

Operaciones de separación mecánicas

Carga en las part. sólidasG + SCampo

eléctricoG + SPrecipitación electrostática

≠ ρG + SL + SFlujo (inercia)G + S

L + SCiclón

≠ ρL + SL + L

Fuerza centrífuga

L + SL + L (inmisc)Centrifugación

≠ ρL + SL + LGravedadL + S

L + L (inmisc)Sedimentación

tamaño S > tamaño poro medio filtranteL + S↓ P (E)

medio filtranteL + SFiltración

Principio de separaciónProductosAgente de

separaciónAlimentación

9

Separación de una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma y condensación del vapor generado (Ej.: obtención de etanol a partir de mezclas hidroalcohólicas)

Nº Fases implicadas: 2 (F. LIQ + F. VAPOR)

L V

+ vol

- vol

Agente de separación: AES

Condensador: se retira calor, generándose una F. LIQ. que cae por la columna

Calderín: se aporta calor, generándose una F. VAP que asciende por la columna

Fase generada o añadida: LIQ Y VAPOR

Principio de separación: diferente volatilidad de los componentes

Operaciones de separación difusionales: 1. DESTILACIÓN

2. ABSORCIÓN

Separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido (Ej.: absorción de NH3 presente en una corriente de aire con agua)

La corriente gaseosa compuesta por un gas inerte y un soluto volátil y soluble se pone en contacto en contracorriente con una F. LIQUIDA (FASE AÑADIDA) que absorbe el compuesto nocivo en fase gas

Transferencia de materia unidireccional

Agente de separación: AMS (disolvente).

Principio de separación: distinta solubilidad.

STRIPPING o desorción: operación contraria

L GNH3

10

Absorción

3. EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

Separación de los componentes de una mezcla líquida mediante un disolvente inmiscible con ella (Ej.: extracción de compuestos aromáticos de aceites lubricantes usando furfural)

Las 2 fases son líquidas e inmiscibles. Hay transferencia del soluto de una fase líquida a la otra (FASE AÑADIDA)

D

S + I

L2

L1

D + S + (I)

(S) + I + (D)

L2

L1

L2: rica en S y pobre en I: EXTRACTO

L1: pobre en S y rica en I: REFINADO

Agente de separación: AMS (disolvente selectivo, inmiscible)Transferencia de materia unidireccional de la mezcla original aldisolventePrincipio de separación: diferente solubilidad

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4. EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO (LIXIVIACIÓN)

Separación de uno o varios solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvente líquido que los disuelve selectivamente (Ej.: separación del aceite de cacahuete por disolución en n-hexano)

Sólido formado por SOLUTO + INERTE. Se añade un disolvente y se forman 2 FASES

S + I

D

Agente de separación: AMS (Líquido disolvente)

Transferencia de materia unidireccional: el soluto debe difundir a través del sólido poroso hasta llegar a la interfase SOL-LIQ y difundir también a través de ella.

Principio de separación: diferente solubilidad

MISCELA (D + S)

FASE SÓLIDA DECANTADA (I + S + D)

5. HUMIDIFICACIÓN DE AIRE

Transferencia de agua desde una corriente acuosa a una de aire mediante su evaporación parcial sin aporte externo de calor (Ej.: acondicionamiento de aire, refrigeración de aire en una central térmica).

Fases implicadas: FASE GAS (AIRE SECO) y FASE LÍQUIDA (AGUA), parte del agua se vaporiza, disminuyendo su temperatura como consecuencia del calor latente de cambio de estado consumido

L GT

humedad

Hay transferencia simultánea de calor y materia (AMS y AES)

qlatente

12

6. CRISTALIZACIÓN

o Operación de separación LIQUIDO-SÓLIDO (FASE GENERADA)

o Separación de un soluto de una disolución líquida mediante contacto con un sólido generado a partir de la misma (Ej.: obtención de NaCl del agua de mar)

o Transferencia de materia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo

Soluto en disolución

CRISTALES

DISOLUCIÓN DE AGUAS MADRES

Para llevar a cabo la cristalización se crea sobresaturación, por ejemplo evaporando parte de la disolución (AES). De este modo se produce una disolución sobresaturada a partir de la cual se forman cristales

sobresaturación

(ccion soluto)FLIQ > (ccion soluto) FSOL

7. EVAPORACIÓN

Separación de los componentes volátiles de una disolución en la que el soluto no es volátil por generación de su vapor a partir de la misma aportando calor Ej.: concentración de zumos de fruta por eliminación de agua2 fases implicadas: F. LIQ + F. VAPOR (FASE GENERADA)Se elimina parte del disolvente de la disolución por ebullición de ésta, separando el vapor generado (AES).

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8. SECADO

o Separación de un líquido que impregna un sólido mediante su vaporización en un gas, normalmente aire (Ej.: secado de materiales cerámicos porosos con una corriente de aire caliente).

o Se usa aire caliente que arrastra el exceso de agua del sólido. Hay transferencia de agua del sólido al aire

o Agente de separación AMS y AES (aire caliente)

9. ADSORCIÓNo Separación de uno o varios componentes de una mezcla

líquida o gaseosa mediante un sólido adsorbente (Ej.: adsorción de compuestos fenólicos en disolución acuosa con carbón activo).

o Fase añadida: SÓLIDO

o Agente de separación: adsorbente sólido (AMS)

Operaciones de separación difusionales

≠ tendencias cristalizaciónL + SEnfriamiento/

CalorLCristalización

Ley acción masasL + resinaResina sólidaLIntercambio

iónico

≠ potenciales adsorciónFluido + SSólido

adsorbenteG o LAdsorción

Solubilidad preferencialL + SDisolventeSLixiviación

≠ Solubilidad en los líquidosL + LLíquido

inmiscibleLExtracción

Solubilidad preferencialL + VGas no

condensableLDesorción

Solubilidad preferencialL + VLíquido no

volátilGAbsorción

≠ volatilidad (Pv)L + VCalorL y/o VDestilación

≠ volatilidad (Pv)L + V↓ PLFlash

≠ volatilidad (Pv)L + VCalorLEvaporación



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Operaciones de separación difusionales (no equilibrio)

• No se fundamentan en el equilibrio termodinámico entre fases sino en fenómenos cinéticos

• Existe una barrera de separación (membrana) entre la corriente que se alimenta y la corriente producto.

• Membrana: barrera semipermeable que modifica o impide la circulación a su través de algunos de los componentes de la mezcla, favoreciendo la separación

Operaciones de separación difusionales

≠ permeabilidadL + LΔ P (bombeo) + membrana

Solución L con coloidesUltrafiltración

≠ solubilidady difusividadL + LΔ P (bombeo) +

membranaSolución LÓsmosis Inversa

≠ movilidades iónicas de los

coloidesLCampo

eléctricoL con coloidesElectroforesis

≠ u a través membranaL

membrana selectiva; disolvente

LDiálisis

≠ cargas por unidad másicaGCampo

magnéticoGEspectrometría gases

solubilidad preferencialpotenciales adsorción

regiones papel

humedecido

Capilaridad papel o fase

gelLCromatografía

papel

Tendencia a = presión

osmóticados líquidos

Membrana; solución salina

más concentrada

Solución salinaÓsmosis

evaporaciónS seco + VCalorS húmedoSecado sólidos



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Factor de separación

Grado de separación que puede obtenerse en un proceso de separaciónrefleja las diferencias en las composiciones de equilibrio y velocidades de transporte debidas a los fenómenos físicos que provocan la separaciónse denomina inherente o intrínseco ya que corresponde a las condiciones ideales de separación (condiciones de equilibrio).

jj

i

xyxi

j

iij

y kk ==α

ijij

ij

ij

de valor el sea mayor cuanto efectiva más tanto es separación la 1, Si II fase la en seconcentrar a tiende j componente el

I fase la en seconcentrar a tiende i componente el :j yi de separación produce se 1, Siseparan se no j yi scomponente los 1, Si

α>>α

>α

=α

Factor de separación

Sistemas vapor-líquido:

αij = volatilidad relativa

Ley de Dalton:

Ley de Raoult:

Si sistema no ideal:

tii P · y P =0iii P · x P =

t

0

ti

0i

i0iii

ti

i

i

ii

PP

P · xP · x

K P · x P

P · x

P xy K

ii ==⇒⎪⎭

⎪⎬

⎫

=

==0j

0i

t0j

t0i

j

iij

PP

P · P

P · P

kk

===α

t

0i

ti

0ii

i0iiii

ti

i

i

ii

PP ·

P · xP · · x

K P · · x P

P · x

P xy K

iiγγ

γ==⇒

⎪⎭

⎪⎬

⎫

=

==0j

0ii

j

iij P ·

P · kk

jγγα ==

16

Métodos de contacto

Para que se produzca la transferencia de materia desde una fase a otra, es necesario que exista un contacto de ambas fases

Se define etapa como la unidad en la que tiene lugar el contacto y en la que se separan las fases

etapa ideal o teórica, aquella en la que se alcanzan las condiciones de equilibrio

Métodos de contactoCorrientes paralelas

Contracorriente

Flujo cruzado


Corrientes ParalelasG0, y0 G1, y1

L0, x0 L1, x1

1 etapade equilibrio

G0, y0 G1, y1

L0, x0 L1, x1


11110000

1100

x· L y· G x· L y· G :soluto al Balance L G L G

:global materia Balance

+=+

+=+

fracción molar(x)

frac

ción

mol

ar(y

)

líneaoperación

relaciónequilibrio

x1x0

y0

y1

fracción molar(x)

frac

ción

mol

ar(y

)

líneaoperación

relaciónequilibrio

x1x0

y0

y1

17


Contracorriente:

Convenio: fases que salen de una etapa, se nombran con el mismo subíndice

G0, y0 G1, y1

L1, x1 L2, x2


G2, y2

L3, x3


G0, y0 G1, y1

L1, x1 L2, x2


G2, y2

L3, x3


11223300

1230x · L y· G x · L y· G :soluto al Balance

L G L G :global materia Balance+=+

+=+

1230 X · L Y· G X · L Y· G :exento en +=+

X XY Y

GL

31

20−−

=

Contracorriente


X

líneaoperación

relaciónequilibrio

X1X3

Y0

Y2

X2

Y1

Y

X

líneaoperación

relaciónequilibrio

X1X3

Y0

Y2

X2

Y1

Y

18


Flujo cruzado:

Etapa1

Etapa2

G0, y0 G1, y1G2, y2

L0, x0 L0, x0

L1, x1 L2, x2

Etapa1

Etapa2

G0, y0 G1, y1G2, y2

L0, x0 L0, x0

L1, x1 L2, x2

2201

1100x · L y· G x · L y· G :2 etapa soluto Balancex · L y· G x · L y· G :1 etapa soluto Balance

+=+

+=+

21

21

10

10x - x y- y

x - x y- y ==

GL

GL


Flujo cruzado:

fracción molar(x)

frac

ción

mol

ar(y

)

líneasoperación relación

equilibrio

x1x0

y0

y2

x2

y1

fracción molar(x)

frac

ción

mol

ar(y

)

líneasoperación relación

equilibrio

x1x0

y0

y2

x2

y1

19


Suponga un sistema formado por dos etapas en las que pueden mezclarse o separarse corrientes y que pueden conectarse en corrientes paralelas, contracorriente o flujo cruzado, de forma que se favorezca el contacto gas-líquido. Encuentre el modo de contacto que proporcionará la máxima eliminación de un componente desde la fase gas si se emplea una cantidad fija de disolvente L.

Datos: L0 = 20 mol/min x0 = 0

G0 = 20 mol/min y0 = 0.3

cada etapa puede considerarse ideal

equilibrio: Y = 0.408 X (m = 0.408)

Equilibrio

Equilibrio L-VSistemas miscibles

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x

y

60

70

80

90

100

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x,y

20

Equilibrio

Equilibrio L-VSistemas inmiscibles

65

75

85

95

105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x,y

69,12 ºC

Destilación

Operación básica de separación en la que se produce la separación de los componentes de una mezcla mediante vaporización de la misma:

agente energético de separación (calor)principio de separación: diferente volatilidad de los componentes de la mezcla

Destilación/Rectificación

F

D

W

21

Destilación

Objetivos:conseguir un producto con la calidad requerida a un coste mínimogrado de pureza del producto constante aunque varíe la composición de la alimentación

Por convenio:componente volátil, al que presenta menor Teb

componente menos volátil, al de mayor Teb

Se lleva a cabo en columnas de tamaño muy diverso, dependiendo de los flujos de operación y condiciones de separación requeridas:

diámetro: 0,3 – 10 maltura: 3 – 75 m

Destilación

Las columnas de destilación están formadas por una o varias etapas en las que tiene lugar la separación.Tipos de destilación:

destilación cerrada (flash, súbita o de equilibrio)destilación abierta o diferencialdestilación fraccionada o rectificación

Fundamento de la destilación: equilibrio L-Vtransferencia L → V de los componentes más volátilestransferencia V →L de los componentes menos volátiles

Equilibrio L-Vdiagramas x-y, T-x-y, H-x-y

T

0iii

i0iiii

Tii

PP · · x y

P · · x P líquida FaseP · y P (ideal) vapor Fase γ

=⎭⎬⎫

γ=

=

y)- (1 ·x x)- (1 ·y :binario Sistema

/xy/xy

jj

iiij

=α

=α

22

Destilación Flash

escisión de una corriente líquida al reducir bruscamente la presión, formándose dos fases en equilibrio:

corriente líquida, L, de composición xL

corriente vapor, V, de composición yV

Balance de materia

P, T

L, xL

V, yV

F, xF

[ ][ ]2 y· V x· L x· F :componente1 V L F :global

VLF +=+= ( ) x - x ·

VL - x y FLFV =

Destilación Flash

Resolución gráfica:diagrama T-x-y

60

70

80

90

100

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x,y

T (ºC)

23

Destilación Flash

Resolución gráfica:diagrama x-y

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x

y

( )( ) x - x

x - y VL -

FL

FV=

Rectificación

W, xW

D, xD

L,xD

V,y1

V´,ywL´,xn

F, xF

Operación en continuo y en estado estacionarioLa columna está formada por N unidades discretas (platos) en los que tiene lugar el contacto y la TM entre fasesEntre plato y plato, únicamente flujo de las fases (fases se cruzan)

Condensador Total

Ebullidorparcial

LV

COLUMNA(etapas de equilibrio)

CABEZAS

COLAS

1

2

N

L

LV

VyN

yN+1 xN

xN-1

24

Rectificación

Relación de reflujocuantifica la cantidad de vapor condensado que es devuelto a la columna de rectificación

Relación de reflujo interna (Ri) = L/VRelación de reflujo externa (RE)= L/D

Límites:

NECESARIO (L/V)MÍN

VD - 1

VL

VD

VL 1

D L V :rcondensado BM

=∴+=

+=

⎩⎨⎧

=====

≤≤0L/V NUNCA 0 VL V D Si

TOTAL REFLUJO 1 VL 0 D Si 1

VL 0

Rectificación

B.M global:

B.M. zona enriquecimiento

B.M. zona agotamiento

W, xW

D, xD

L,xD

V,y1

V´,ywL´,xn

F, xF

x · W x · D x · F

W D F

WDF ⎭⎬⎫

+=+=

4444 34444 21superior operación de línea

D1n

n1n

n1n

Dnn1n1n

n1n

x· VD x·

VL y

x· D x· L y· V

D L V

+++

++

+

+=

⎭⎬⎫

+=+=

4444 34444 21inferior operación de línea

Wm

1m-m

1m-m

Wmm1m-1m-

m1m-

x· VW - x·

VL y

x· W y· V x· L

W V L

=

⎭⎬⎫

+=

+=

n

m

25

Rectificación

Si flujos molares de líquido y vapor constantes:

Flujos molares constantes si se cumple la ley de TROUTON:

ΔHv molar debe ser constante para ambas especiesCalor de mezcla despreciableLa columna debe estar aislada, los platos son adiabáticos y las pérdidas de calor entre etapas son despreciablesLos cambios de calor sensible son insignificantes para ambas fases L y V

W

D

x · VW - x ·

V´L´ y:l.o.i.

x · VD x ·

VL y:l.o.s.

=

+=

)x,(x por pasa que , V´L´ pdte de recta

)x,(x por pasa que , VL pdte de recta

WW

DD

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Rectificación

Método Analítico de Sorel-Lewis:Plato1:

el vapor que sale de la etapa 1 (y1) condensa por completo y retorna como líquido (xD)el líquido que sale del plato 1

(x1) se encuentra en equilibrio con el vapor que sale (y1)

Plato 2:el vapor que sale de la etapa 2 (y2) se cruza con el líquido que sale del plato 1 líquido (x1)el líquido que sale del plato 2 (x2) se encuentra en equilibrio con el vapor que sale (y2)

y2 x1

xDy1

y3 x2

x1y2

Así sucesivamente hasta llegar a un plato en que xn < xF.

26

Rectificación

Método Analítico de Sorel-Lewis:Plato m - 1:

el vapor que sale de la etapa m-1 (ym-1) se cruza con el líquido que sale del plato m-2el líquido que sale del plato m-1 (xm-1) se encuentra en equilibrio con el vapor que sale (ym-1)

Se opera de esta forma hasta que xi ≤ xW.

El calderín se considera una etapa teórica (el vapor que sale se encuentra en equilibrio con el líquido de composición xW)

ym

xm-1

xm-2

ym-1

El número de platos teóricos necesarios para la separación será:

Si la composición del último plato no coincide con xW, se habla de fracción de plato

y el número de platos:

1 - platos nº Nt =

Rectificación

mn

Wnx - xx - x f =

1 - f platos nº Nt +=

27

Rectificación

Método gráfico de Mc Cabe Thiele:se traza el diagrama x-yse trazan las l.o.s y l.o.i.:

se sigue la misma metodología del caso anterior para ir trazando los platos:

Plato 1: el vapor que sale de la etapa 1 (y1) condensa por completo y retorna como líquido (xD); el líquido que sale del plato 1 (x1) se encuentra en equilibrio con el vapor que sale (y1)Plato 2: el vapor que sale de la etapa 2 (y2) se cruza con el líquido que sale del plato 1 líquido (x1); el líquido que sale del plato 2 (x2) se encuentra en equilibrio con el vapor que sale (y2)

W

D

x · VW - x ·

V´L´ y:l.o.i.

x · VD x ·

VL y:l.o.s.

=

+=

)x,(x por pasa que , V´L´ pdte de recta

)x,(x por pasa que , VL pdte de recta

WW

DD

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Rectificación

Método gráfico de Mc Cabe Thiele:

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

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

x

y

28

Rectificación

Condición de entrada de la alimentación

punto de intersección de líneas de operación:

B.M. plato de alimentación:

( ) ( ) x · W x · D L´ - L · x V´-V · y

x · VW - x ·

V´L´ y:l.o.i.

x · VD x ·

VL y:l.o.s.

Fx · FWD

W

D

444 3444 21++=⇒

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

=

+=

[ ]1 x FL´ - L · x

F V´-V · y F+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

( ) ( ) [ ]2 - 1

F V´-V

F

L - L´

L´ - L F V´-V L´ V V´ L F

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∴⎭⎬⎫

+=+=++

φ

φ

Rectificación

Condición de la alimentaciónSustituyendo [2] en [1]:

por tanto,

φ es la fracción líquida de alimentación. Se determina planteando B.M. y B.E. al plato de alimentación:

( ) ( ) [ ]3 - 1

x x - 1

yx - · x 1 · y FF φφ

φφφ +

−=+=−

[ ]4 1 -

x - x 1

y

q Línea

F

444 3444 21 φφφ−

=

VL´V´LF H · V h L´· H V´· h · L h · F B.E.L´V V´LF B.M.

+=+++=++

29

Rectificación

Condición de la alimentaciónPuesto que:

V´V

L´L

H Hh h≈≈ ( ) ( ) ( ) h - H · L - L´ h - H · F LVFV =

LV

FV

h - Hh - H

FL - L´ =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=φ

ónalimentaci entalpía h)(x ónalimentaci la de ncomposició la para calculada saturado líquido del entalpía h)(x ónalimentaci la de ncomposició la para calculada saturado vapor del entalpía H

F

FL

FV

===

Rectificación

Condición de la alimentaciónLV

FV

h - Hh - H

FL - L´ =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=φ

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

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

x,y

H,h

Línea de líquido saturado

Línea de vapor saturado

30

Rectificación

Condición de la alimentación

F se introduce como líquido saturado:

F se introduce como vapor saturado:

LV

L´V´

F 1 h - Hh - H

h - Hh - H

h h F L L´

FV

FV

LV

FV

FL

===⇒⎭⎬⎫

=+=

φ

1 -

∞→φφ

VL

L´V´

F 0 h - HH - H

h - Hh - H

H h F V´V

LV

VV

LV

FV

VF

===⇒⎭⎬⎫

=+=

φ

0 1 -

x) eje al (paralela→φφ

Rectificación


F se introduce como líquido frío:

F se introduce como vapor sobrecalentado:

VL

L´V´

F 1 h - Hh - H

h h condensan V moles F L L´

LV

FV

LF

>=⇒⎭⎬⎫

<++=

φ

1 1 -

>φφ

VL

L´V´

F 0 h - Hh - H

H h evaporan L moles F V´V

LV

FV

VF

<=⇒⎭⎬⎫

>++=

φ

1 1 -

0 <<φφ

31

Rectificación


F se introduce como mezcla líquido-vapor:

VL

L´V´

F 1 0 h - Hh - H H h h

LV

FVVFL <<=⇒<< φφ

0 1 - <

φφ

Rectificación


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

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

x

y

L.S.

V.S.

L + V L.F.

V.Sc.

32

Rectificación

Condición de la alimentaciónconocida l.o.s. y línea q, puede trazarse la l.o.i., que pasa por los puntos (xW, xW) y el punto de corte entre l.o.s. y línea q

Rectificación

Relación de reflujo mínima

se establece a partir del balance de materia al condensador:

en sistemas con azeótropo, tangente a la curva en el punto de inflexión que pase por (xD, xD)

VD - 1

VL D - V L D L V =⇒=⇒+=

eq. con q línea la de ónintersecci de punto al llegar hasta

separación la para requerido platos nº y VL , D Si

platos) mínimo (nº 1 VL 0 D Si

máx

↑↓⎟⎠⎞

⎜⎝⎛↑

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⇒=

33

Rectificación

Relación de reflujo óptima

Corresponde a un óptimo económico

Normalmente:

máxmín VL

VL

VL

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛<<⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

↑↑↓↓→⇒⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

↓↑↑∞→⇒⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

diámetro y z de (columna N N VL

diámetro yz de (columna N VL

mín t,tmáx

tmín

mínmín VL · 2

VL

VL · 1,2 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛<<⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Rectificación

Eficacia de columna y de platoEficacia global (columna):

Eficacia de plato:

100 · NN E

R

t=

100 · x - xx - x E

100 · y- y y- y E

*n1n-

n1n-L

1n*n

1nnV

=

=+

+

34

Ejemplos

Una mezcla equimolar de benceno y tolueno se alimenta a su temperatura de ebullición a una columna de rectificación que opera con una relación de reflujo 1,5 veces la mínima con el objetivo de obtener como destilado una mezcla que contenga un 98 % de benceno y un residuo que contenga solamente un 2 % de éste. El flujo molar de alimentación es de 1000 kmol/h. Determine:

flujos molares de destilado y colasnº mínimo de platos para lograr la separaciónnº platos reales si la eficacia de cada plato es del 80 %

Datos de equilibrio:

x 0,000 0,131 0,260 0,422 0,590 0,782 0,892 1,000 y 0,000 0,264 0,457 0,640 0,782 0,903 0,955 1,000

Ejemplos

Se desea separar una mezcla binaria de dos componentes A y B con 40 % en moles de A, en un destilado que contenga 90 % en moles de A y un residuo con 5 % en moles de A, mediante rectificación continua en una torre de platos. La alimentación entra como líquido saturado y, se utiliza una relación de reflujo dos veces la mínima. Determine el número de platos necesario para alcanzar la separación

Datos de equilibrio:

x 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00y 0,00 0,30 0,50 0,62 0,70 0,76 0,81 0,84 0,88 0,93 1,00

operaciones de separacion

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