tema 2 proceso de separacion

7/23/2019 Tema 2 Proceso de Separacion

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Máster en Ingeniería Industrial Diseño de procesos químicosTema 2

Tema 2

Procesos de separación

Se trata de estudiar cómo funcionan y se diseñan lasunidades de operación más comunes, en las que no ocurrenreacciones químicas, empleadas en la industria química.

• Introducción a los procesos de separación• Procesos de separación en la industria química:

Destilación - Absorción• Diseño de torres de platos de destilación y absorción

1




Bibliografía recomendada

• Calleja G. (Editor). Introducción a la Ingeniería Química. Síntesis (1999).

• McCabe W.L., Smith J.C. y Harriot P. Operaciones básicas en Ingeniería Química (7ª

Edición). McGraw-Hill (2007).

• Perry R.H. Manual del Ingeniero Químico (7ª Edición). McGraw-Hill (2001).

• Welty J.R. Wicks C.E. y Wilson R.E. Fundamentos de Transferencia de Momento,

Calor y Masa. Limusa Wiley (1999).

• Treybal R.E. Operaciones de Transferencia de Masa. Mc Graw & Hill (2000).

• Geankoplis C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias (4ª edición). CECSA

(2006).

• Henley E.J. y Seader J.D. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en

Ingeniería Química. Reverté (1988).• Coulson J.M. y Richardson J.F. Ingeniería Química: Operaciones Básicas (3ª Edición.

Tomo II). Reverté (1981).

2



Máster en Ingeniería Industrial Diseño de procesos químicos

INTRODUCCIÓN

Tema 2

Objetivo: Obtener un producto con una determinada calidad

En cualquier proceso industrial químico

Proceso de

preparación de lamateria prima

REACTOR

Transformaciónde la materiaprima

Proceso de separación /

purificación de productos/recuperación de materiasprimas

Materiaprima

Productos

Reacciones químicas y biológicas- Destilación- Absorción

- Adsorción- Decantación- Centrifugación- …

o Las unidades de operación deben operar lo máseficazmente posible.

o El producto debe cumplir una determinadacalidad.

o Deben cumplirse aspectos de seguridad.

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INTRODUCCIÓN

Tema 2

Clasificación de las principales operaciones unitarias:

Transporte de fluidos: principios que determinan el flujo y transporte.

Transporte de calor: principios que determinan la acumulación ytransferencia de calor y energía.

Transporte de masa: principios que determinan la acumulación y

transferencia de materia.Cantidad de movimiento Calor Materia

• Fluidización

• Sedimentación

• Microfiltración

• Ultrafitración• Ósmosis inversa

• Mezcla

• Emulsificación

• Centrifugación

• Flotación

• Refrigeración

• Congelación

• Evaporación

• Pasteurización• Esterilización

• Escaldado

• Secado

• Cristalización

• Liofilización

• Destilación

• Extracción

• Lixiviación

• Adsorción• Secado

• Cristalización

• Liofilización

• Ósmosis inversa

4




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Técnicas de separación industriales

(1) Creación de una segundafase, inmiscible con la fasede alimentación

¿cómo? Aporte de calor,trabajo de unamáquina, reducción depresión

Los componentes son

separados pordiferencia devolatilidad

(2) Introducción de unsegundo fluido

(3) Empleo de un sólido

¿cómo? 2º fluido (solvente) esselectivo por una delas especies y/o alterala volatilidad de lamezcla

Una subsecuente etapade separación esrequerida pararecuperar el solvente

El sólido adsorbeselectivamente a

alguna de las especies

En una etapa posterior,el sólido es tratado

para recuperar la

especie adsorbida yregenerar el sólido

¿cómo?

(4) uso de una membrana La membrana permiteel paso selectivo deuna de las especies

¿cómo?

5




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Método de separación Fase de la alimentación Agente de separación Fase creada o añadida Principio de separación

Equilibrio flash Líquido y/o vaporDisminución de la presión o

transferencia de calor Vapor o líquido Diferencia de volatilidad

Destilación Líquido y/o vapor Transferencia de calor Vapor o líquido Diferencia de volatilidad

Absorción gaseosa Vapor Absorbente líquido Líquido Diferencia de volatilidad

Stripping Líquido Absorbente gas Vapor Diferencia de volatilidad

Destilación extractiva Líquido y/o vaporSolvente líquido y transferencia de

calorLíquido y vapor Diferencia de volatilidad

Destilación azeotrópica Líquido y/o vapor ?? Líquido y transferencia de calor Líquido y vapor Diferencia de volatilidad

Extracción líquido-liquido Líquido Solvente líquido Segundo líquido Diferencia de solubilidad

Cristalización Líquido Transferencia de calor SólidoDiferencia de solubilidad o

punto de fusión

Adsorción gaseosa Vapor Adsorbente sólido SólidoDiferente tendencia a la

adsorción

Adsorción líquida Líquido adsorbente Sólido SólidoDiferente tendencia a

adsorber

Membranas Líquido o vapor Membrana MembranaDiferente permeabilidad o

solubilidad

Extracción supercrítica Líquido o vapor Solvente supercrítico Fluido supercrítico Diferencia en solubilidad

Lixiviación Sólido Solvente líquido Líquido Diferente solubilidad

Secado Sólido o líquido Transferencia de calor Vapor Diferencia volatilidad

Tomada del Libro de Seider, Seader y Lewin “Process desing

principles, 1999 (Cap. 5 Tabla 5.1)

6




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Gas-Líquido

Absorción-Desorción, Destilación, Evaporación, Condensación,

Humidificación (Enfriamiento del aire)/Deshumidificación

Líquido-LíquidoExtracción

Sólido-Líquido

Adsorción/Desorción, Intercambio Iónico, Lixiviación, Cristalización

Gas-Sólido

Adsorción/Desorción, Sublimación, Condensación directa, Secado, Liofilización

Técnicas de separación industriales

Las que involucran contacto directo de dos fases inmiscibles:

7




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Operaciones de separación Gas-Líquido: Absorción-Desorción, Destilación

Se basa en la diferencia devolatilidad de las distintas

especies involucradas en el

sistema.

Destilación:

Se basa en introducir un fluido externo,

un líquido (absorción) o un gas

(desorción) de tal manera que sea capazde solubilizar de manera selectiva uno o

más componentes de la alimentación

primitiva.

Absorción/desorción:

Gas

Líquido

absorbente

Gas

depurado

Solución

Alimentación

Destilado

Productos

intermedios

Residuo

8




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Cómo se realiza la separación en las columnas?

Contacto por etapas

9

Etapa idealEficacia de una etapa




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Modelo de etapa de equilibrio

Etapa ideal

Ln-1, xn-1Vn, yn

Ln, Xn Vn+1, yn-1

Etapa ideal: El vapor (Vn) y el líquido (Ln) se comportan como ideales y el vapor y ellíquido que salen de la etapa están en equilibrio

P

)T(P

x

yK

ºk

k

kk =

(Ley de Raoult)

10

)P,T(P

P

x

yK

k

0

kk Φ

⋅

⋅

=

=

γ

φk coef. de fugacidad en el vapor

γk coef. de actividad del líquido

f k0 coef. de fugacidad comp. puro

P° presión de vapor del comp. puro

P presión del sistema

Cómo se realiza la separación en las columnas?

…Contacto por etapas




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Definición de eficacia de los platos:

• En destilaciones sus valores oscilan habitualmente entre el (60-90)%.

• En extracción en mezcladores – sedimentadores suelen variar entre el 70-85%, enextracciones en torres de platos entre el 15-25%.

• En absorción con reacción química alrededor del 40%.

EFICACIA GLOBAL (E0): Es el cociente entre el número de etapas de equilibrio y el deetapas reales requeridas para llevar a cabo una determinada separación. Ej., en torres dedestilación de hidrocarburos E0 = 60 %

EFICACIA MURPHREE (EM): Se define para cada etapa como el cociente de la diferencia deconcentraciones que se alcanza en una etapa real respecto de la que se obtendría si la

etapa fuera de equilibrio (*). Es una de las más utilizadas:

E ficacia Murphree de plato (E M ):

1n,i

*

n,i

1n,in,i

MGyy

yyE

=

1n,i

*

n,i

1n,in,i

MLxx

xxE

=

11

…Contacto por etapas




INTRODUCCIÓN

Tema 2

Para que la eficacia de los platos sea grande, se ha de conseguir que:

1. El tiempo de contacto entre las fases sea grande.

2. La superficie de interfase sea grande.

3. La turbulencia generada en el líquido sea intensa.

Por tanto, para una alta eficacia será necesario un nivel profundo de líquido y una

alta velocidad de paso de gas: baja velocidad de paso del líquido para que el gas esté

finamente dispersado.

12

Eficacia de los platos:…Contacto por etapas




INTRODUCCIÓN

Tema 2

¿Cómo se realiza la separación en las columnas?

Contacto continuo

Tipos de relleno

13

columnas de relleno o empacadas




ABSORCIÓN/DESORCIÓN

14

Gas desalida

Distribuidor delíquido

Líquidode

entrada

Gas deentradaLíquido

desalida

Secciónempacada

Sección

empacada

Tomada del McCabe, et al. (Fig. 18.1)

- Conceptos de absorción/desorción

- Aplicaciones industriales

- Tipos de disolventes y selección

- Curva de operación- Consideraciones:

- Sistemas diluidos

- Sistemas no diluidos





DESORCIÓN: Eliminación de un soluto de una corriente líquida por medio de una

corriente gaseosa selectiva hacia uno o más componentes de la alimentación.

Ej: Eliminación del amoníaco de una corriente líquida mediante aire.

La absorción se realiza en desorbedores o “strippers” .

ABSORCIÓN: Eliminación de un soluto de una corriente gaseosa por medio de undisolvente líquido selectivo hacia uno o más solutos presentes en la alimentación.

Ej: Eliminación del amoníaco de una corriente gaseosa mediante agua líquida.

La absorción se realiza en absorbedores o “scrubbers” .

15





Principales usos industriales de la absorción:

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Depende principalmente de la naturaleza del soluto, de su concentración, delporcentaje de eliminación deseado y de las condiciones de operación.

Tipos y elección de disolventes usados en absorción :

Concentración del soluto alta (10-50%): Líquido no volátil y no reactivo

(disolvente físico).

Concentración del soluto baja (1-10%): Líquidos capaces de reaccionarrápida y reversiblemente con la impureza (disolvente químico).

Concentraciones del soluto muy bajas (inferior al 1%): Disolventes químicos

que reaccionen de manera irreversible.

Otras propiedades a considerar- La solubilidad del gas, debe ser elevada, para aumentar la rapidez de la absorción.

- La volatilidad del disolvente, debe ser baja, ya que el gas que sale de la torre de absorción salegeneralmente saturado con el solvente.

- Otros: corrosividad, toxicidad, etc.

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18

Gas, G con una concentración de soluto y p

Líquido, L, con una concentración de soluto x p

N

1

L0

LN

G1

GN+1

L G

yp > y* (concentración desoluto que estaríaen equilibrio con la

composición dellíquido xp)

xp < x* (concentración desoluto que estaríaen equilibrio con lacomposición del

gas yp)





19

Gas, G con una concentración de soluto y p

Líquido, L, con una concentración de soluto x p

N

1

L0

LN

G1

GN+1

L G

Línea de operaciónLínea de operación, (L/V)min

Línea equilibrio

x0 xN xn*

y0

yN+1

yN*





20

Línea de operación: Se calcula a través del BM. Es la línea que pasa por todos los puntos

de operación (continua en torre de relleno, discontinua en torre de platos).

N

1

L0

LN

G1

GN+1

L G

Balance global

10 GLGL

Balance soluto

1100 GyxLyGLx

Balance global

1N1N0 GLGL

Balance soluto

11N1N00 GyxLyGLx

G

LxGyx

G

Ly 0011

Recta de operación

1N

0011

1N

N

G

LxGyx

G

Ly





21

Línea de operación: Se calcula a través del BM. Es la línea que pasa por todos los puntos

de operación (continua en torre de relleno, discontinua en torre de platos)

Si L y G: son ctes Línea recta

Si L y G: no son ctes No es una línea recta: Hay que calcular los diferentes BMsobre distintas secciones de la columna

N

1

L0

LN

G1

GN+1

L G

1N1 GGG

N0 LLL ≈

G

LxGyx

G

Ly 01

Si L y G son ctes:





22

En estos casos puede ser útil linealizar la línea de operación haciendo un balance libre de soluto(subíndice S). El proceso a seguir para su cálculo es similar al visto para el caso diluido, aunqueahora se debe tener en cuenta que los caudales de gas y de líquido varían a lo largo de la columna altransferirse mayores cantidades de soluto de una fase a otra.

Si no son sistemas diluidos:

L y G ≠cte línea de operación no es una recta

Línea de equilibrio no es una recta

y1GGS

x1LLS

S

S0S1

S

S

G

LXGYX

G

LY

x1xX

y1

yY

Y moles de soluto en el gas por mol de gas inerte.

X moles de soluto en el líquido por mol de disolvente no volátil

Balance de materia en el soluto:





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x es la fracción molar de soluto en el líquido.

y* es la fracción molar de soluto en el gas en

equilibrio con el líquido.

kh sería la constante de la ley de Henry, la

cual depende de la naturaleza del soluto y

de las fases, de la presión y de la

temperatura.

xkyh

*=

S

S0S1N

S

S1N

G

LXGYX

G

LY




DESTILACIÓN

24

Tomada del Libro de Sinnott and Towler (Fig. 11.1)

- Principios de funcionamiento- Tipos de destilación- Partes de una torre de destilación- Ecuaciones en una etapa, caso

general- Destilación en una etapa o “flash”- Destilación binaria- Concepto de reflujo mínimo, total y

óptimo




DESTILACIÓN

Se basa en la diferencia de volatilidad de las distintas especies involucradas en el sistema.

En la destilación la fase gaseosa se enriquece en la especie más volátil y la fase líquida en

la de menor volatilidad.

Para conseguir separaciones altas se ha de repetir el proceso muchas veces.

Las aplicaciones de la destilación son variadas: preparación de licores, separar fracciones

de petróleo, depurar mezclas líquidas, etc.

Se emplean sistemas discontinuos para producciones pequeñas, o cuando la pureza del

destilado no tiene que ser muy alta.

En producciones grandes se emplean sistemas en continuo, por ejemplo en las refinerías

de petróleo.

En las destilaciones en continuo el vapor se puede generar de manera continua o en

etapas (por medio de platos).

Tipos: destilación discontinua, destilación “Flash” y destilación continua.

25




DESTILACIÓN

DESTILACIÓN DISCONTINUA: estado no estacionario o por lotes

Analogía con el laboratorio

26




DESTILACIÓN

DESTILACIÓN “FLASH” O DESTILACIÓNCONTINUA EN UNA ETAPA

27

DESTILACIÓN CONTINUA POR ETAPAS




DESTILACIÓN

Partes de una torre de destilación

Zona de rectificación: por encima del

plato de alimentación

Zona de agotamiento: por debajo del

plato de alimentación

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DESTILACIÓN

Está formada por las siguientes partes: condensador (parte superior), columna y

evaporador o calderín (parte inferior).

El condensador situado en cabeza de columna condensa total o parcialmente el vapor

que se obtiene en la última etapa. Una parte de este líquido es el producto destilado,

enriquecido en el compuesto de mayor volatilidad, y el resto se recircula a la columna

(reflujo), para que sea el líquido de la etapa superior.

El evaporador o calderín evapora parcialmente el líquido de la última etapa. Este vapor

se emplea en la etapa inferior. El líquido que se mantiene en el evaporador está

enriquecido en el compuesto menos volátil.

La alimentación líquida se introduce en la parte central de la columna, en general, en el

punto en el que el líquido del interior de la columna tiene una concentración similar.

Para modificar la cantidad y calidad del producto: i) aumentar la cantidad de

recirculación; ii) cambiar la cantidad de etapas en equilibrio. En el primer caso se

requiere más energía, y en el segundo se aumenta el coste de la columna.

Cada columna se optimiza en función de las necesidades específicas del proceso.


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DESTILACIÓN

30

ECUACIONES EN UNA ETAPA, caso general

Etapa ideal

Ln-1, xn-1 Vn, yn

Ln, Xn

Vn+1, yn-1

Fn,zn Sn,xn

Q

Para cada componente i, en la etapa n:

BM: nnnnnnnn1n1n1n1n z·Sx·Ly·Vz·Fx·Ly·V

BE: nnLnn

Vnnnf n

L1n1n

V1n1n h·Sh·LH·VQh·Fh·LH·V

Equilibrio (ideal):P

P

x

yK i

i

ii

°

=

Sumatorio ∑ ∑ n,in,i yx

Ecuaciones MESH:(material balance, equilibrium, summation and heat)

Esto también se escribe, para el condensador yel calderín.




DESTILACIÓN

31

Punto de rocío y punto de burbuja

Para determinar la temperatura de la etapa, del condensador y del calderín es

necesario calcular la temperatura de rocío y la temperatura de burbuja.

Líquido saturado Punto de burbuja ∑ ∑

= 1xKy iii

Vapor saturado Punto de rocío∑ ∑

=

1K

yx

iii

Recordando el concepto de volatilidad relativa de un compuesto A respecto a otro B

El valor de este parámetro representa la mayor o menor facilidad de separar un

compuesto respecto a otro:

B

A

A

B

A

A

B

B

A

A

B,AK

K

y

x

x

y

xP

xP

=




DESTILACIÓN

32

Recordando el concepto de volatilidad relativa de un compuesto A respecto a otro B

Diagrama de equilibrio para una mezcla binaria




DESTILACIÓN

33

DESTILACIÓN BINARIA

Destilación flash

BM

x·Ly·Vx·F F

LVF

(1)

(2)

V

L

xx

xy

F

F

(3)

BE

Unidad Flash

F (mol/h)V (mol/h)

L (mol/h)

zF, hF, PF, TF

y, H

x, h

F’

Q

h·LH·VQh·F f n

(4) F·hF

QH·Vh·L F

V

F·h

F

QHh·

V

LF

VL1·h

FQHh·

VL

f VL

F

Qhh

F

QhH

f

f

−

+

+

(5)

Cómo se interpretan (3) y (5) en un diagrama de equilibrio




DESTILACIÓN

34


V

L

xx

xy

F

F

V

L

F

Qhh

F

QhH

f

f

−

+

+

… Destilación flash




DESTILACIÓN

35


Destilación continua multietapa

Zona de rectificación o enriquecimiento

Zona de agotamiento




DESTILACIÓN

36



Objetivo: Obtener un producto con la pureza deseada

D

LR 0

=

Reflujo (R):

… Destilación continua multietapa




DESTILACIÓN

37


BM:

D·xL·xV·y Dnn1n1n

DLV n1n

(1)

(2)

D1n

Dn

n

1n

xy

xx

L

V

=

(3)

(condensador total)

O bien

=

1n

nDDn

1n

n1n

V

L·xxx·

V

Ly

(4)

Si L/V es constante y LV

L

D

L

R

1R

xx·

1R

Ry D

n1n

(5)






DESTILACIÓN

38


1Rxx·

1RRy Dn1n

Método de McCabe-Thiele

D1n

Dn

xy

xx

L

V

=






DESTILACIÓN

39

Zona de agotamiento o inferior

C·xV·yL·x Cmm1m1m

CVV m1m

Cm

C1m

1m

m

xyxx

LV

=

=

m

1mCC1m

m

1mm

V

L·xxx·

V

Ly

(1)

(2)

(3)

(4)

BM:

Si L’/V’ es constante

=

'V

'L1·xx·

'V

'Ly C1mm

(5)






DESTILACIÓN

40


=

'V

'L1·xx·'V

'Ly C1mm

Cm

C1m

xyxx

LV

=

Método de McCabe-Thiele


Zona de agotamiento o inferior




DESTILACIÓN

41

Zona de alimentación


Factor q

F

LLq 1f f

≡





DESTILACIÓN

42


N o de platos de una torre de destilación:

(a) líquido subenfriado: q > 1(b) líquido saturado: q = 1

(c) mezcla de vapor y líquido: 0 < q < 1(destilación flash q =1-f)(d) vapor saturado: q = 0(e) vapor sobrecalentado: q< 0

Plato de alimentación: ¿Cómo entra la alimentación a la torre?

F

LLq 1f f

≡





DESTILACIÓN

43


N o de platos de una torre de destilación:

Plato de alimentación: F·qL'L

F)·q1('VV

La línea de alimentación, o línea q, será el lugar geométrico de todas lasalimentaciones posibles, la cual estará definida por la intersección de las dos líneas deoperación, superior e inferior.

Sección de enriquecimiento: V·yL·xD·x 1nnD

Sección de agotamiento: 'V·yC·x'L·xmC1m

=

yyy

xxx

m1n

1mn

=

=

V·yL·xD·xD =

'V·yC·x'xLC =

Restando estas ecuaciones:

F

L’ V’

L

L’

V… Destilación continua multietapa




DESTILACIÓNDESTILACIÓN BINARIA

N o de platos de una torres de destilación:

Plato de alimentación:

F

L’ V’

L

L’

V

)'VV·(yC·xD·x)'LL·(x CD

Además de: F·q'LL

F)·q1('VV

F·xC·xD·x FCD =

Fxq1

1x

q1

qy

Recta de alimentación





DESTILACIÓN

45


Reflujo total, mínimo y óptimo:

1R

xx·

1R

Ry D

n1n

Reflujo Total D = 0 y R=∞

D

LR 0

=

N o

de platos mínimos





DESTILACIÓN

46



1R

xx·

1R

Ry D

n1n

Reflujo mínimo , Rmin

D

LR 0

=

N o de platos infinito

1R

x

min

D

+





DESTILACIÓN

47



Reflujo mínimo , Rmin




DESTILACIÓNDESTILACIÓN BINARIA

Reflujo óptimo

Se suele situar entre 1.2 y 1.5 veces el reflujomínimo.



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