4. destilación contínua (metodo mc cabe)

8/18/2019 4. Destilación Contínua (Metodo Mc Cabe)

1/67

DESTILACION CONTINUA


2/67

Destilación Continua

Operación realizada en contracorriente y en

varias etapas.

Sinónimos: Destilación Fraccionada ;

Rectificación.

Equipo utilizado: Columna de Destilación

(o Torre de Destilación).


3/67

Columna de Destilación: Partes Integrantes

Básicamente, se distinguen 3 partes:

•

Condensador : puede ser Total o Parcial.• Columna propiamente dicha: se divide en dos

zonas (o secciones):

Zona (o Sección) de Enriquecimiento.

Zona (o Sección) de Empobrecimiento.

• Reboiler (Calderín, Caldera, Rehervidor).


4/67

Esquema de una columna de platos


5/67

Esquema de una columna de platos sencilla

Alimento

Acumulador

CondensadorDestilado

Residuo

S e c t o r d e

e

n r i q u e c i m i e n t o

S e c t o r d e

a g o t a m i e n t o

Caldera

Platos


6/67

TIPOS DE PLATOS


7/67

Columna de Destilación Continua

Plato de BalastraCirculación de Flujos:

Variantes


8/67

Columna de Destilación Continua

Caperuzas de Barboteo: Diferentes Modelos


9/67

NOMENCLATURA

Plato n

Plato n+1

Plato n-1

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2


10/67

TA

TB

Concentración

0% A 100% AXn Yn100% B 0% B

T e m p e r a t u

r a

Xn-1 Yn+1

Representación de las corrientes que entran y abandonan

el plato n en el diagrama de equilibrio T-X-Y

Vn, Yn

Vn-1, Yn-1

Vn+1, Yn+1

Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1

Ln, Xn

Ln-1, Xn-1

Ln-2, Xn-2

Plato n


11/67

A, XA

D, XD

R, XR

S e c t o r d e

e n r i q u e c i m i e n t o

S e c t o r d e


Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia


12/67


13/67

A, XA

D, XD

R, XR

S e c t o r d e

e n r i q u e c i m

i e n t o

S e c t o r d e


Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

A, XA

D, XD

R, XR

S e c t o r d e

e n r i q u e c i m

i e n t o

S e c t o r d e


Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Total

Componente

volátil

D LV nn +=+1

Dnnnn DX X LY V +=++ 11

D L

DX

D L

X L

V

DX

V

X LY

n

D

n

nn

n

D

n

nnn

+

+

+

=+=

++

+

11

1

Balance sector enriquecimiento

Línea operativa sector enriquecimiento

L.O.S.E.


14/67

A, XA

D, XD

R, XR

S e c t o r

d e

e n r i q u e c i m

i e n t o

S e c t o r d e


Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

A, XA

D, XD

R, XR

S e c t o r

d e

e n r i q u e c i m

i e n t o

S e c t o r d e


Ln, Xn

Vn+1 Yn+1

Lm Xm Vm+1 Ym+1

Superficie I

Superficie II

Total

Componente

volátil

Balance sector agotamiento

Línea operativa sector agotamiento

L.O.S.A.

R LV mm −=+1

Rmmmm RX X LY V −=++ 11

R L

RX

R L

X L

V

RX

V

X LY

m

R

m

mm

m

R

m

mmm

−

−

−

=−=

++

+

11

1


15/67

Sector enriquecimiento:

Hipótesis Mc Cabe

Lcte... L L nn ==== −1 V cte...V V nn ====+1

Lcte... L L mm ==== +1 V cte...V V mm ====+1

Sector agotamiento:


16/67

L.O.S.E. en función de la razón de reflujo

D

L R D =

111

+

+

+

=

+

+

+

=+

D

D

D

D Dn

R X

R R

D L DX X

D L LY

Razón de reflujo


17/67

V L

LV

F

(1-f) F

f F

- Si f =0, el alimento será líquido a su temperatura de ebullición

- Si f =1, el alimento será vapor a su temperatura de condensación

- Si 0


18/67

Línea de alimentación

lxvy FX F +=

fy x ) f ( y

F

v x

F

l X

F

F F +−=+= 1

f

X x

f

) f ( y F +

−−=

1

Destilación

súbitaF, XF

v, y

l, x


19/67

Líneas de operación

f

X x

f

) f ( y F +

−−=

1

111

+

+

+

=+

D

D

D

Dn

R

X

R

RY

R L

RX

R L

X LY

m

R

m

mmm

−

−

−

=+1

En la diagonal Y=X, se cumple:

X=XD

X=XF

X=XR


20/67

Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe

a) Se dibuja la curva de equilibrio Y-X

b) Se sitúan los puntos XD, XF y XR sobre el diagrama.

c) Se dibujan los puntos X=XD, X=XR y X=XF,, que como sabemos pertenecen a las

líneas L.O.S.E., L.O.S.A. y L.A. respectivamente.

d) Se traza la L.A. una vez conocido f

e) Se traza L.O.S.E. una vez conocido R D

f) Se traza L.O.S.A. desde X=XR hasta el punto de corte de L.A. y L.O.S.E. (se

puede demostrar que las tres líneas tienen un lugar geométrico común).

g) Se construyen los escalones como se indica en la figura 7.10. Los escalones se

apoyan en la L.O.S.E en el sector de enriquecimiento y en la L.O.S.A. en el de

agotamiento. Se empieza en XD y se termina en XR . Cada escalón se corresponde con

una etapa ideal de equilibrio. Si el último escalón no es completo se calcula la parte proporcional de escalón que le corresponde.

h) Se localiza el plato de alimentación como aquel escalón que cruza con la L.A.

i) Se cuentan los escalones, identificándolos con platos ideales. Uno de ellos será

siempre la caldera.


21/67

Fracción molar en el líquido, x

F r a c c i ó n m o l a r e n e l v a p o r , y

XA XDXR



22/67



XA XDXR

L.A.



23/67



XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.



24/67



XA XDXR

L.A.

L.O.S.E.

L.O.S.A.



25/67



XA XDXR

1

2

3

4



26/67


j) Se calcula el número de platos reales, conocida la eficacia

de plato (que varía entre 0 y 1). El valor obtenido se redondea hacia

arriba. Así:

k) se calculan las necesidades energéticas de la columna, conocidos los

calores latentes de cambio de estado, λ:

reales. platos.número

ideales. platos.número plato.eficacia =

λ λ V mvs saturado.vapor

=

λ V )T T ( C m entrada salida pAF fría.agua =−


27/67



XDXR

Condiciones límites de operación

Aumento de la

razón de reflujo


28/67



XDXR


Disminución de la

razón de reflujo


29/67



XDXR

Número mínimo de pisos


Reflujo Total


30/67



XDXR

Número infinito de pisos


Reflujo mínimo


31/67


R Dopt = 1,2-2 R D min



XDXR




XDXR



F r a c c i ó n m o l a r e n e l v a p o

r , y

XDXR



r , y

XDXR



r , y

XDXR



r , y

XDXR


F r a c c i ó n m o l a r

e n e l v a p o r , y

XDXR



F r a c c i ó n m o l a r

e n e l v a p o r , y

XDXR


a) Aumento R D b) Disminución R D

c) Reflujo total d) Reflujo mínimo


32/67

Se desea diseñar una columna de rectificación para separar 10.000kg/h de una mezcla que

contiene 40% de benceno y 60% de tolueno, con el fin de obtener un producto de cabeza

(destilado) con 97% de benceno y un producto de cola (residuo) con 98% de tolueno. Todos estos porcentajes están en peso. Se utilizará una relación de reflujo externa de 3,5. El calor latente de

vaporización, tanto del benceno como del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol. El calor

latente del vapor de agua saturado es de 533,6 cal/g.

a) Calcular los caudales de destilado y residuo producidos.

b) Determinar el número de platos ideales y la situación del plato de alimentación en

los siguientes casos:

i) la alimentación entra como líquido a su temperatura de ebullición

ii) la alimentación consiste en una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de

líquido.

c) Calcular el caudal másico de vapor de agua que se necesita en cada caso para la

calefacción, despreciando pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado.

d) Si el agua de refrigeración llega al condensador a 25ºC y sale a 65ºC, calcular elconsumo de agua en litros por minuto.

Datos de equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg

X 0 0,0169 0,1297 0,2579 0,4113 0,5810 0,7801 1

Y 0 0,0389 0,2613 0,4561 0,6320 0,7767 0,9002 1

PROBLEMA 4.1


33/67

44020

92

60

78

4078

40

, X F =+

=

97440

92

3

78

9778

97

, X D =+

=

02350

92

98

78

278

2

, X B =+

=

h / kmol ...

F 511692

60

78

4010000 =

+=


34/67

Calculo de caudales de destilado y residuo

B D F +=

B D F BX DX FX +=

kmol/h05.51= D

kmol/h45.65= B

)0235.0()9744.0()4402.0)(5,116(

B D +=

hkmol B D /5,116=+


35/67

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

X

Y

Rectificación


36/67

Rectificación

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

X

Y

XFXR XD

Rectificación


37/67

∞=+−

−= pendientederecta f

x x

f

f y F

1

Línea de alimentación (f=0)

Rectificación

Rectificación


38/67

Rectificación

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

X

Y

XFXR XD

Línea alimentación

(f=0)


39/67

216507778054

97440

54

53

11. x.

.

. x

.

.

R

x x

R

R y

D

D

D

D +=+=

+

+

+

=

Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE


40/67

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

X

Y

XFXR XD


(f=0)

LOSE

(y= 0.7778x+0.2165)


41/67

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

X

Y

XFXR XD


(f=0)

LOSE

(y= 0.7778x+0.2165)

LOSA


42/67

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

X

Y

XFXR XD

Sector

enriquecimiento 12

3

4

5


43/67

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

X

Y

XFXR XD

Sector

enriquecimiento 12

3

4

5

Sector

Agotamiento

6

7

8

9

10

1112


44/67

Cálculo de caudales

kmol/h.V V f 7252290 ==⇒=

kmol/h... D LV 7252290551675178 =+=+=

kmol/h178.675 L.

L.

D

L R D =⇒===

055153


45/67

Caudal másico de vapor de agua en la caldera

λ λ V m vsvs =

kg/h. ).(

) )( .( V m

vsvs 83293

6533

767572229===

λ

λ


46/67

Consumo de agua de refrigeración

kcal/h ) )( .( V )T T ( mC e s p 1763101767572229 ===− λ

l/min734.6 kg/h. ) )( (

m ≈=−

= 54407725651

1763101


47/67

13.75 platos (alimentación 7º).

Solución para f=2/3

kmol/h.V 05152=

kmol/h.V 725229=

kg/hmvs 2187=

l/min734.6 kg/h.m ≈= 544077


48/67

Calcular la razón de reflujo mínima y el número mínimo de platos para cada uno de los casos de alimentación del problema

anterior.

PROBLEMA 4.2


49/67

Número mínimo de platos

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

X

Y

XFXR XD


50/67

Razón de Reflujo mínima

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

X

Y

XFXR XD

f= 0


51/67


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

X

Y

XFXR XD


52/67


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

X

Y

XFXR XD

0.39= XD/(R Dmin +1) R dmin =1.50


53/67


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

X

Y

XFXR XD

f= 2/3


54/67


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

X

Y

XFXR XD


55/67


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

X

Y

XFXR XD

0.30= XD/(R Dmin +1) R dmin =2.25


56/67

Se desea rectificar una mezcla ideal de dos componentes A y B, siendo el valor de la

presión de vapor del componente más volátil (A) tres veces mayor que la del otro

componente (B) a la misma temperatura. El alimento, con un caudal de 5 kmol/h, entra

en la columna mitad vapor y mitad líquido, con un 40% en moles del componente A.

El destilado debe tener una concentración molar de A del 95% y el residuo del 4% en

el mismo componente.

Si en el condensador de cabeza de columna se eliminan 82000 kcal/h,. Calcular: a) Caudal de destilado obtenido

b) Ecuaciones de las dos rectas de operación

c) Número de pisos teóricos de la columna

d) Piso teórico en que debe introducirse el alimento

e) Número de pisos reales si la eficacia de plato es de 0,8

Datos: El calor latente de vaporización de cualquier mezcla de ambos componentes

vale λ=10000 kcal/kmol, independientemente de la temperatura.

PROBLEMA 4.3


57/67

a) Caudales de destilado y residuo

h / kmol B D F 5=+=

B D F BX DX FX +=

).( B ).( D ). )( ( 040950405 +=

kmol/h. D 981=

kmol/h. B 023=


58/67

b) Condensador

hkcal V /82000=λ

kmol/h... DV L D LV 226981208 =−=−=⇒+=

143981

226.

.

.

D

L R D ===

23.076.014.4

95.0

14.4

14.3

11+=+=

++

+= x x

R

x x

R

R y

D

D

D

D

hkmol V V /20.8 )10000(82000 =⇒=


59/67

c) Calculo del número de platos

50. f =

8.05.0

4.0

5.0

5.011

+−=+

−

−=+

−

−= X x f

x

x f

f

y F


60/67

Datos de equilibrio

) x( ) y( x y

B

B

A A

AB

x y

x y

−−

==

11

α

P

x P y

P

x P y B B B

A A A

00

; ==

3//

0

0

0

0====

B

A

B

A

B

B

A

A

AB P P

P P P P

x y x

y

α


61/67

Datos de equilibrio

x

x y

) x( ) y( x y

AB21

33

11 +

=⇒==

−−

α

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

y 0 0,429 0,667 0,818 0,923 1


62/67

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


63/67

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

8.0+−= X y


64/67

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

23.076.0 += x y


65/67

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


66/67

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

9 pisos; alimentación = 5º


67/67

1080

8===

,eficacia

teóricos pisosnº reales pisosº n

4. destilación contínua (metodo mc cabe)

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