2 Destilación flash y diferencial

Tema 1. Destilación

Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica

M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda pseparació[email protected]

2. Destilación flash y diferencial

CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN

1.1. Importancia y tipos de destilación 1.2. Destilación flash y diferencial

1.3. Dimensionamiento de columnas 1.3.1. Métodos gráficos 1.3.2. Métodos numéricos 1.4. Dimensionamiento de columnas multicomponentes

COMPETENCIAS A DESARROLLAR

 Diseña y selecciona equipos de Destilación aplicando los principios de transferencia de calor, masa y equilibrio de fases en los procedimientos de cálculo, para su construcción y operación.

DESTILACIÓN

 Es la separación de los componentes de una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma.

 La concentración de componentes volátiles es mayor en el vapor obtenido que en la mezcla inicial.

 En el residuo aumenta la concentración de los componentes menos volátiles.

DESTILACIÓN

 Es un método para separar componentes de una solución.  Depende de la distribución de las

sustancias entre una fase gaseosa y una líquida.

 Se aplica a casos donde todos los componentes están presentes en las dos fases.

 La nueva fase se crea por evaporación o condensación a partir de la solución original.

F, zF

hF

QR

QC _{D, xD}

B, xB hD hB Vn+1 n m Ln

Ṽ_m+1 Ḹ_m

Alimentación Destilado Fondos, colas o residuo Rehervidor parcial Condensador total

DESTILACIÓN

 La nueva fase difiere de la original por su contenido calórico.

 El calor puede incrementarse o eliminarse sin dificultad, pero debe considerarse el costo de

aumentarlo o eliminarlo. F, zF

hF

QR

QC _{D, xD}

B, xB hD hB Vn+1 n m Ln

DESTILACIÓN

 La separación de los componentes de una mezcla líquida por destilación sólo puede hacerse cuando el vapor producido en la ebullición tiene diferente composición que el líquido del que procede.

 La separación de componentes será más fácil cuanto mayor sea la diferencia entre las composiciones.

DESTILACIÓN

 Por lo que el fundamento básico de la destilación se encuentra en el estudio de losequilibrios vapor-líquidopara las distintas mezclas.  Elcaso más sencilloson lasmezclas binarias.

DESTILACIÓN

 El origen de la destilación se monta al tratamiento debebidas alcohólicasenFrancia.

DESTILACIÓN

 La destilación fraccionada se desarrolló a base de la acumulación de conocimientos empíricos. Fue posteriormente que se aplicaron principios fisicoquímicos cuado se transformó en una operación científica.

 Su aplicaciónse extendió a mucha industrias, llegando a ser un factor esencial para el funcionamiento y operación de muchos procesos.

A) Dos componentes

B) Multicomponente

TIPOS DE DESTILACIÓN

A) Por lotes (“batch”)

B) Continua

1. Diferencial

2. Flash, instantánea o de equilibrio

3. Rectificación

4. Azeotrópica

5. Con arrastre de vapor

6. Destilación por membranas

7. Destilación reactiva

TIPOS DE DESTILACIÓN

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

 Básicamente es una operación

discontinua o por lotes.

 Consiste en una sola etapa partiendo de

un calderín inicialmentelleno,calentado a velocidad constante.

 El vapor formado por la ebullición del

líquido es separado inmediatamente del

sistema.

 El vapor es más rico en el componente más volátil, el líquido restante queda empobrecido en este componente, por lo que la composición de las fases va cambiando.

 El vapor total formado no está en equilibrio con el líquido residual.

 El primero en analizar este tipo de proceso

FLASH, INSTANTÁNEA O DE

EQUILIBIO

 Consiste enuna sola etapa de destilación, dondela alimentación se vaporiza (o condensa) parcialmente para producir un vapor más rico en el componente más volátil.

 Lasfases se separan en estado de equilibrio.

RECTIFICACIÓN

LIMITACIONES DE LA DESTILACIÓN

 La fase vapor que puede crearse a partir de un líquido consta sólo de los componentes que se encuentran en el líquido, por lo que vapor y líquido son químicamente muy similares, lo que conlleva a que el cambio de composición resultante no sea muy grande.

 En algunos casos puede suceder que no haya ningún cambio en la composición.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

 Primero se introduce el líquido en un

recipiente de calentamiento. La carga líquida se hierve lentamente y los vapores se extraen con la misma rapidez con que se forman, enviándolos a un condensador donde se recolecta el vapor condensado (destilado).

 La primera porción de vapor

condensado es más rica en el componente más volátil. A medida que se procede con la vaporización, el producto vaporizado es más pobre en A.

 El equipo industrial es básicamente una réplica a gran escala del matraz y refrigerados de destilación ordinario de laboratorio.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

 El destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados FRACCIONES

 Se obtiene así una serie de productos destilados de diferente pureza.

 Para lograr las características teóricas de una destilación diferencial, se tiene que proceder en forma infinitamente lenta, para que el valor desprendido del líquido esté en cualquier momento en equilibrio con dicho líquido.

 También debe eliminarse todo arrastre y no debe existir enfriamiento ni condensación del vapor antes de que entre en el condensador.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

Defiendo las siguientes corrientes:

F – alimentación

xF – concentración del volátil en la alimentación

W – líquido residual en tanque xW- composición de líquido residual D – destilado obtenido

yprom – composición promedio de destilado (al final)

Para cualquier tiempo: L – líquido en tanque

x – composición de volátil en líquido en tanque V – vapor generado

y – composición de vapor generado D – Destilado

y* - composición de destilado

condensador

V y

D y*

L x

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

Un balance de masa alrededor de todo el sistema durante el tiempo total de operación:

condensador

V y

D y*

L x

𝐹 = 𝑊 + 𝐷

𝐹𝑥 = 𝑊 𝑥 + 𝐷 𝑦

𝑦 =𝐹𝑥 − 𝑊 𝑥

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

Para cualquier instante:

condensador

V y

D y*

L x

𝑑 𝐿 + 𝑉

𝑑𝑡 = 𝐷

Para el componente volátil:

𝑑 𝐿𝑥 + 𝑉𝑦

𝑑𝑡 = 𝐷𝑦

∗

Como la densidad del vapor es menor que la del líquido, V puede despreciarse:

𝑑 𝐿 𝑑𝑡 = 𝐷

𝑑 𝐿𝑥

𝑑𝑡 = 𝐷𝑦

∗

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

A partir de:

condensador

V y

D y*

L

𝑑 𝐿𝑥

𝑑𝑡 = 𝐷𝑦

∗

𝐿 𝑑𝑥 + 𝑥𝑑𝐿

𝑑𝑡 = 𝐷𝑦

∗

Y como: 𝑑 𝐿

𝑑𝑡 = 𝐷

𝐿 𝑑𝑥 𝑑𝑡 +

+𝑥𝑑𝐿 𝑑𝑡 = 𝑦

∗𝑑𝐿 𝑑𝑡

Reordenando:

𝐿 𝑑𝑥 = (𝑦∗_{−𝑥)𝑑𝐿}

𝑑𝐿 𝐿 =

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

Integrando entre los límites del modelo:

𝑑𝐿 𝐿 =

𝑑𝑥 (𝑦∗_−𝑥)

𝑙𝑛 𝑊

𝐹 =

𝑑𝑥 (𝑦∗_−𝑥)

Como x_W<x_Fy W<F ambos términos de la ecuación serán negativos. Por lo tanto:

𝑙𝑛 𝐹

𝑊 =

𝑑𝑥

(𝑦∗_−𝑥) Ecuación de _Rayleigh

EJEMPLO 9.6 (TREYBAL)

Supóngase que una mezcla de composición 50% mol de n-heptano (volátil) y 50% mol de n-octano se sujeta a una destilación diferencial a presión atmosférica y que se destila el 60% en mol del líquido. Calcular la composición del destilado y del residuo. Se cuenta con los siguientes datos de equilibrio:

x y*

0.50 0.689

0.46 0.648

0.42 0.608

0.38 0.567

0.34 0.523

0.32 0.497

𝑙𝑛 𝐹

𝑊 =

𝑑𝑥 (𝑦∗_−𝑥)

𝐹 =?

𝑥 =?

𝑊 =?

𝑥 =?

𝐹 = 100 𝑚𝑜𝑙

𝑥 = 0.50

𝑊 = 40 𝑚𝑜𝑙

𝑥 =?

EJEMPLO 9.6 (TREYBAL)

x y*

0.50 0.689

0.46 0.648

0.42 0.608

0.38 0.567

0.34 0.523

0.32 0.497

1/(y*-x) Dx 1/(y*-x)prom Dx /(y*-x)prom  5.291

5.319 5.319 5.348 5.464 5.650

0.04 0.04 0.04 0.04 0.02

5.305 5.319 5.333 5.406 5.557

0.212 0.213 0.213 0.216 0.111

0.212 0.425 0.638 0.855 0.966

𝑙𝑛 𝐹

𝑊 =

𝑑𝑥

(𝑦∗_−𝑥)= 0.916

Interpolando:

𝑥 =0.329 Composición del residuo

EJEMPLO 9.6 (TREYBAL)

Composición del destilado:

𝐹 = 𝑊 + 𝐷

𝐹𝑥 = 𝑊 𝑥 + 𝐷 𝑦

𝑦 =𝐹𝑥 − 𝑊 𝑥

𝐷

𝑦 = 100 𝑚𝑜𝑙 0.50 − 40 𝑚𝑜𝑙 0.329

60 𝑚𝑜𝑙

Destilación flash

DESTILACIÓN FLASH

DESTILACIÓN FLASH

 Es uno de los procesos de separación más simples y comunes.

 También se conoce como destilación por evaporación instantánea,destilación instantánea odestilación de equilibrio.

 En este tipo de destilación, parte de la corriente de alimentación se evapora en una cámara de evaporación instantánea para separar vapor y líquido en equilibrio mutuo.

 La evaporaciónes extremadamente rápida.  El componentemás volátil se concentrará más en

el vapor.

 Este métodono permite alcanzar un alto grado de separación, aunque en algunos casos (desalación de agua de mar) se obtiene una separación completa.

DESTILACIÓN FLASH

 El líquido se somete a presión, se calienta y se hace pasar por una válvula de control o una boquilla, para entrar al tambor de evaporación instantánea.

 Debido a la gran caída de presión, parte del líquido se evapora.

 El vapor se extrae por la parte superior, mientras que el líquido escurre al fondo del tambor, de donde se retira.

APLICACIONES

 Industria petrolera: en muchas unidades de separación y transformación existe una etapa previa de destilación flash.

 Destilación de líquido de salida de un absorbedor para concentrar o recuperar parte del soluto.

 Destilación de líquido de salida de un reactor a alta presión para generar algo de vapor.

DESTILACIÓN FLASH

Alimentación

F, z T1

P₁

Bomba Calentador

Q_H

Válvula

TF

PF

h_F

V, y

L, x HV

h_L

Separador de niebla

DP grande

F – flujo de la alimentación

z – composición de la alimentación (fracción mol del componente más volátil) V – flujo de evaporado

DESTILACIÓN FLASH

Balance global:

F = V + L

Balance global para componente volátil:

Fz = Vy + Lx

DESTILACIÓN FLASH

Balance de energía resulta:

FhF= VHV + LhL

Alimentación: hF= hF(TF, z)

Evaporado: HV= HV(Ttambor, y)

Condensado: hL= hL(Ttambor, x)

La vaporización en la cámara se da por la caída de presión, no por el

incremento de temperatura.

DESTILACIÓN FLASH

Para mezclas ideales las entalpías pueden calcularse a partir de las capacidades caloríficas y los calores latentes:

Alimentación: hF(TF, z) = zACpL,A(TF– Tref) + zBCpL,B(TF– Tref)

Evaporado: H_V(T, y) = y_A[lA+ CpV,A(T – Tref)] + yB[lB+CpV,B(T – Tref)]

DESTILACIÓN FLASH

PROCEDIMIENTO SECUENCIAL

En este procedimiento primero se resuelven las relaciones de balance de masa y de equilibrio y después las ecuaciones de balance y de entalpía. Esto quiere decir que los dos conjuntos de ecuaciones están desacoplados.

A partir del balance global para el componente más volátil:

Fz = Vy + Lx

Se puede despejar la fracción de componente volátil en el evaporado:

y=-

L

V

x+

F

V

z

operación para 1 sola Ecuación de etapa

Relaciona las composiciones de las 2 corrientes que abandonan la etapa (o tambor)

DESTILACIÓN FLASH

La ecuación anterior se puede expresar en función de la fracción evaporada o la fracción de líquido remanente:

f=

V

F

q=

L

F

Fracción evaporada

f=

V

F

q=

L

F

y=-

L

V

x+

F

V

z

L

V

=

F-V

V

F=V+L

L=F-V

L

V

=

F

V

-

1

L

V

=

1

f

-

1

L

V

=

1-f

f

y=-

1-f

f

x+

z

f

DESTILACIÓN FLASH

f=

V

F

q=

L

F

y=-

L

V

x+

F

V

z

L

DESTILACIÓN FLASH

y=-

q

1-q

x+

1

1-q

z

y=-

L

V

x+

F

V

z

y=-

1-f

f

x+

z

f

f=

V

F

q=

L

F

Estas ecuaciones son medios equivalentes para obtener y, x, ó z. Deberá utilizarse la ecuación de operación que sea más conveniente.

Línea de operación

Pendiente

L

V

=

q

1-q

=

1-f

f

Pendiente

Ordenada al origen (x=0)

y=

F

V

z=

1

1

−

q

z=

z

f

DESTILACIÓN FLASH

• De manera gráfica (diagrama McCabe-Thiele) la intersección de la curva de equilibrio y la línea de operación es la solución simultánea de los balances de masa en equilibrio.

• El punto solución indica las concentraciones de vapor y líquido que salen del tambor de evaporación instantánea.

La figura muestra 3 diferentes líneas de alimentación(a, b, c), cuya pendiente varía de 0

a 1.

La temperatura que tendrá el tambor se pueden leer

 Otros dos puntos que se usan con frecuencia en el diagrama McCabe-Thiele son la abscisa al origen (y=0) y su intersección con la recta y=x.  Cualquiera de estos puntos se puede determinar algebraicamente para

entonces graficar con ellos la línea de operación.

 La intersección de la línea de operación con la línea y=x se usa con frecuencia porque es fácil de graficar. Este punto se puede determinar resolviendo simultáneamente las siguientes ecuaciones:

y=-

L

V

x+

F

V

z

y = x

y=-

L

V

y+

F

V

z

y 1

+

L

V

æ

è

ç

ö

ø

÷

=

F

V

z

y

V+L

V

æ

è

ç

ö

ø

÷

=

F

V

z

F=V+L

y

F

V

æ

è

ç

ö

ø

÷

=

F

V

z

y = z

x = y = z

La intersección está en la alimentación.

RESUMEN DE ECUACIONES – D. FLASH

x = y = z

y=-

q

1-q

x+

1

1-q

z

y=-

L

V

x+

F

V

z

y=-

1-f

f

x+

z

f

f=

V

F

q=

L

Línea de operación Pendiente

L

V

=

q

1-q

=

1-f

f

Pendiente

Ordenada(x=0)=

F

V

z=

q

1-q

z=

z

f

Ordenada al origen (x=0)

Intersección en la línea x=y

Fracción evaporada

Ejemplo 2.1 (Wankat)

Una cámara de destilación trabaja a 101.3 kPa y separa una mezcla de etanol-agua. La mezcla que se alimenta es 40%mol de etanol.

a) ¿Cuál es la composición máxima del vapor?

b) ¿Cuál es la composición mínima del líquido que se puede obtener si se

deja variar V/F?

c) Si V/F=2/3, ¿cuáles son las composiciones del líquido y del vapor? d) Repita el inciso c) para cuando F sea 1000 kg/h

P = 101.325 kPa

F

z=0.40

V y

L x

Ejemplo 2.1 (Wankat)

P = 101.325 kPa

F

z=0.40

V y

L x

y=-

L

V

x+

F

V

z

Incisos a) y b) Casos extremos:

1) F = V

F=V+L

L=F-V

L

V

=

F-V

V

Pero F = V

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 xEtanol

yEta

n

o

l

z=0.40

L/V=0

Ejemplo 2.1 (Wankat)

P = 101.325 kPa

F

z=0.40

V y

L x

y=-

L

V

x+

F

V

z

Incisos a) y b) Casos extremos:

2) F = L

F=V+L

L=F-V

L

V

=

L

F-L

Pero F = L

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 xEtanol

yEta

n o l z=0.40 L/V=0 L/V=∞ ymax xmin

ymax=0.61

xmax=0.40

y_min=0.40

xmin=0.08

Ejemplo 2.1 (Wankat)

P = 101.325 kPa

F z=0.40 V y L x

y=-

L

V

x+

F

V

z

Inciso c) V/F=2/3

F=V+L

L=F-V

L

V

=

F-V

V

Pero

L

V

=

F-

2

3

F

2

3

F

V

2

V=

2

3

F

L

1-

2

₃

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x_Etanol

yEta

n

o

l

z=0.40

y=0.52

x=0.18

Ejemplo 2.1 (Wankat)

• El método gráfico es independiente de la base de cálculo, por lo que el resultado será exactamente igual que en el inciso c).

• El flujo de alimentación influirá en las dimensiones del tambor y la energía que se necesita para el intercambiador de calor.

• Comprobaciones:

V/F F (mol) xA yA Fz = Vy + L x

1 100 0.08 0.40

0 100 0.40 0.61

2/3 100 0.18 0.52

(100)(0.40)= 100(0.40) + (0)(0.08) (100)(0.40)= 0(0.61) + (100)(0.4)

(100)(0.40)= (2/3)(100) (0.52) + (1/3)(100)(0.18)

Ejemplo 18.1 (McCabe)

Una mezcla de 50%mol de benceno y 50%mol de tolueno se somete a destilación flash operando con una presión en el separador de 1 atm. Represéntese las siguientes magnitudes en función de f, la fracción de evaporado:

a) La temperatura en el separador.

b) La composición del líquido que sale del separador. c) La composición del vapor que sale del separador.

P = 101.325 kPa

F

z=0.50

V y

L x

Ejemplo 18.1 (McCabe)

f=V/F L/V

(pendiente)

xA yA T(ºC)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

∞ 4

1.5 0.667

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 xBenceno

yBe

n

ce

n

o

f=0 f=0.2

f=0.4 f=0.6 f=0.8

F=1.0

0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000

yBe

n

ce

n

o

f=0 f=0.2 f=0.4 f=0.6 f=0.8

Ejemplo 18.1 (McCabe)

f=V/F L/V

(pendiente)

x_A y_A T(ºC)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

∞ 4

1.5 0.667

0.25 0

0.50 0.455

0.41 0.365

0.33 0.29

0.71 0.67

0.63 0.585

0.54 0.50

80 85 90 95 100 105 110 115

T

(º

C

)

f=V/F L/V (pendiente)

x_A y_A T(ºC)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

∞ 4

1.5 0.667

0.25 0

0.50 0.455

0.41 0.365

0.33 0.29

0.71 0.67

0.63 0.585

0.54 0.50

92.2 93.7

95 96.5 97.7 99

FUENTES DE CONSULTA

• Curso de Ingeniería Química. Introducción a las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. J. Costa López, S. Cervera March, F. Cunill García y col. España 1991. Editorial Reverté S.A.

• Ingeniería de procesos de separación. Phillip C. Wankat, 2da. Edición en español. México, 2008. Ed. Pearson.

• Elementos de Ingeniería Química. Ángel Vian, Joaquín Ocon. España, 1976. Ed. Aguilar.

• Unit Operations in Food Engineering.Albert Ibarz, Gustavo C. Barbosa-Cánovas. USA, 2003. CRC Press.