Destilaciónn multicomponente
Transcript of Destilaciónn multicomponente
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
1/35
UNI-FIQT
PI 525/A. CICLO 2015-2
DESTILACINMULTICOMPONENTE
Ing. Rafael J. Chero Rivas
Lima, 10 de octubre 2015
Lima-Per
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
2/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 210/10/2015 2
Equilibrio. Coeficiente de Distribucin
El coeficiente de distribucin K de un componente de
una mezcla se define por:
AAA/ xyK
KA es tpicamente funcin de latemperatura, presin.
P)K(T,KA
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
3/35
Coeficientes de Distribucin (K) deHidrocarburos a P = 1 atm
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 3
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
4/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 410/10/2015 4
Nomograma de DePriester
Una conveniente fuente de valores del Coeficiente
de Distribucin, K para hidrocarburos, como
funcin de la temperatura y la presin, es elnomograma de DePriester, el cual se muestra a
continuacin:
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
5/35
No
mograma
deDePries
ter
Se muestra el diagrama deDePriester, indicando elvalor del coeficiente de
distribucin (K) para elEtileno (crculo rojo), a lapresin de 3000 kPa y a laTemperatura de -10 C:K = 1,0El hecho que K = 1,0significa que la
Temperatura de ebullicindel Etileno a 3000 kPa esde -10 C.
Ing. Rafael J. Chero Rivas
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
6/35
Ing. Rafael J. Chero Rivas
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
7/35Ing. Rafael J. Chero Rivas
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
8/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 810/10/2015 8
Ej. Uso del nomograma deDePriester
Cul es el valor de la constante de distribucin deequilibrio K, para cada componente de una mezcla
conteniendo:
Etileno
n-Pentano
n-Heptano
a T = 120 oC y P = 1500 kPa?
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
9/3510/10/20159
Ing. Rafael J. Chero Rivas
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
10/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1010/10/2015 10
RESPUESTA
Los coeficientes de distribucin deequilibrio (K), a la T = 120 oC y P = 1500kPa, son:
K
Etileno 8,5
n-Pentano 0,64
n-Heptano 0,17
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
11/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1110/10/2015 11
Las volatilidades relativas () se especifican con respecto al
clave pesado:
Volatilidad Relativa
ij= Ki/Kj; donde j: Clave pesado.Ejemplo:
Compuesto K
Etileno 8,5
n-Pentano 0,64n-Heptano 0,17
Si el n-pentano fuera el clave pesado (HK):
Volat relat Etileno= 8,5/0,64 = 13,3Volat relat n-pentano= 0,64/0,64 = 1,0
Volat relat n heptano= 0,17/0,64 = 0,266
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
12/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1210/10/2015 12
Clculo de la Temperatura de burbujaSe calcula mediante:
yi = Sum (Ki*xi) = 1,000 (Ec. 1)El clculo se hace de la siguiente
manera:
- Asumir T.Del nomograma de DePriester, leer K a
la Presin a la cual se desea hacer elclculo (tope, fondo) y a la temperatura
asumida.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
13/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1310/10/2015 13
- Aplicar la Ec. 1La temperatura de burbuja ser
igual a la temperatura asumidacuando se cumpla la Ec. 1.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
14/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1410/10/2015 14
Clculo de la temperatura de roco
Se calcula con:
xi= Suma (y
i/K
i) = 1,000
El clculo se hace de idntica manera que el
clculo de la temperatura de burbuja.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
15/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 1510/10/2015 15
Volatilidad relativa media (prom)
Es habitual hacer la aproximacin:
prom=(tope*fondo)1/2
Para calcular topey fondo, es necesario
conocer la T y P del tope y fondo,respectivamente.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
16/35Ing. Rafael J. Chero RivasFormasdeDestilarunamezclade4componentes
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
17/35
Nmero de Columnas necesarias
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 17
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
18/35
HEURS
TI
COS
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 18
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
19/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 19
Introduccin a la DestilacinMulticomponente
Tiene gran importancia para los IngenierosQumicos el mtodo de clculo del diseopreliminar. El procedimiento es el siguiente:
Se conoce el flujo del alimento y su composicin, yse especifica la calidad y/o la cantidad de losproductos deseados. Se desarrollan entoncesbalances de materia preliminares.
Se debe tener informacin de los datos de equilibrioy las propiedades fsicas de todos los componentesde la mezcla en el intervalo de T, P.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
20/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 20
Mtodo para resolver problemas deDestilacin Multicomponente
1. Elegir los componentes clave y realizar la primeraestimacin de la distribucin de componentes en el
destilado y en los fondos.
Clculos de Diseo
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
21/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 21
COMPONENTES CLAVE
Componente clave ligero. (LK) Es el componente
mas ligero especificado en el producto de fondo
Componente clave pesado (HK).Es el componente
menos voltil especificado en el destilado
Normalmente la separacin es requerida entre un
par especfico de componentes y stos son los claves
ligero y pesado. No es necesario que los
componentes clave sean adyacentes. Cuandoexisten componentes entre los componentes clave, a
stos se les denomina componente sandwich.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
22/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 22
2. Calcular la Presin del tope de la torre. Aplicar laecuacin del punto de burbuja (o roco, depende si elcondensador es total o parcial) al destilado.
NOTA. La P vara a lo largo de la columna, debido a lacada de presin. La presin solo puede estimarseaproximadamente.Para estimaciones de la presin de fondo de latorre, asumir que la cada de presin en el condensador esdel orden de 2,5 psi. Adems considerar que la cada depresin por plato es de 0,1 a 0,5 psi por plato.Inicialmente se puede asumir una cada de presinen toda la columna de 5 psi (solamente debido a los
platos).3. Considerando lo anterior, calcular la presin de fondoP fondo = P tope + P cond + P platos
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
23/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 23
4. Calcular la temperatura de fondos(aplique el punto de burbuja a losfondos, a la presin calculadaanteriormente).
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
24/35
Flujograma mostrandolos pasos para aplicarel mtodo Short Cut.
Ing. Rafael J. Chero Rivas
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
25/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 25
MTODO SIMPLIFICADO (Short Cut)Ecuaciones a utilizar:
Ecuacin de Fenske: Se calcula el nmeromnimo de platos.
Ecuaciones de Underwood: Se calcula larelacin de Reflujo mnima (dos ecuaciones
a usar).
Ecuacin de Gilliland: Se calcula el nmerode platos tericos.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
26/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 26
- Calcular las volatilidades relativas (tope y fondo)
- Calcular la volatilidad promedio (media geomtrica)- Calcular el nmero mnimo de etapas (aplique la
Ecuacin de Fenske).
- Calcular el valor de
(aplicar la 1 ecuacin deUnderwood).
- Calcular Rmn (aplicar la 2 ecuacin de
Underwood).
- Con R = k Rmn, calcular Np (emplear la correlacinde Gilliland o la correlacin de Eduljee o Molokanov y
coloboradores).
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
27/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 27
En la relacin de reflujo mnima, aproximadamente:
xD*D/(zF*F) = [(1)/(LK1)]*[x LKD*D/(z LKF*F)] +
[(LK)/(LK1)]*[x HKD*D/(z HKF*F)]
Si:
1,01< (xD*D)/(zF*F) < - 0,01 el componente no sedistribuye
0,01< (xD*D)/(zF*F) < 0,99 el componente si se distribuye.
Verificacin de los Componentesclave
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
28/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 2810/10/2015 28
Nmero mnimo de platos (Reflujototal)
Ecuacin de Fenske:
Nm + 1 = log [xLKD/(xHK D)(xHK W/(xLKW))]/log LK
donde: xLK, xHK: composiciones del clave ligero y delclave pesado.
D, W: flujos molares de destilado y de residuo,respectivamente.
LK: volatilidad relativa promedio del clave ligero
P ime a Ec acin de Unde ood
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
29/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 29
Primera Ecuacin de Underwood:1 q = (* zF/())
zF: Composicin del componente i en la alimentacin.Nota: Existen varios valores de que satisfacen laecuacin. De todos esos valores, solamente algunos setomarn para el clculo. Los valores de que sedeben tomar para el diseo, depende si existe o nocomponentes sandwich. Se deben tomar (x + 1)valores de , donde x es igual al nmero de
componentes sandwich.El valor (o los valores) de obtenidos (segn sea elcaso) se emplearn a continuacin paraelclculo
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
30/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 30
delReflujo mnimo (segunda ecuacin deUnderwood).
R mn + 1 = (* xD/())
Donde xD: composicin del componente i en
el destilado
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
31/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 31
Clculo del nmero de platos
Existen varios mtodos cortos para determinar elnmero de etapas ideales de una columna dedestilacin multicomponente, pero el msutilizado es la correlacin de Gilliland (Ind. Eng.Chem. 32, 1220, 1940). Este autor reporta en
forma grfica la relacin [(Np-Nmn)/(Np+1)] vs.[(R-Rmn)/(R+1)].
Los datos fueron generados a partir de datos deoperacin de columnas de destilacin ya
existentes, principalmente de hidrocarburos. Bastacon especificar un reflujo de operacin R, parapoder calcular el nmero de etapas Np utilizandolos valores calculados de Rmn y Nmn.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
32/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 32
Correlacin grfica de Gilliland
(Np-Nmn)/(Np+1)
Abcisas y ordenadas tienen los mismos parmetros, en ambos grficos
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
33/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 33
La correlacin de Gilliland ha sido ajustada a funciones
matemticas por varios autores. Los ajustes ms conocidos son el
de Eduljee (Hydrocarbon Processing, sept 1975, 120):
Ecuacin desarrollada por Molokanov y Colaboradores:
Y = 1 - [((1 + 54,4 X)(X 1))/((11 + 117,2 X) X^0,5)]
X = (R Rmn)/(R + 1)) Y = (Np Npmn)/(Np + 1))Donde:
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
34/35
10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 34
Problema
Una mezcla lquida saturada formada por 60%
de C3H8, 30% de C4H10y 10% de C5H12se va
a separar en un producto destilado que
contenga el 98% del C3H8de la alimentacin.
El producto de fondo debe contener el 95%
del C4H10 que entra en la alimentacin.
Determine la Relacin de Reflujo mnimapara una Presin total de 100 psia.
-
7/23/2019 Destilacinn multicomponente
35/35
10/10/2015 Ing Rafael J Chero Rivas 35
Bibliografa
Treybal, Robert; Operaciones deTransferencia de Masa
Schweitzer, Philip A; Handbook of
Separation Techniques for ChemicalEngineers, Section 1.2
Hines A, Maddox R; Transferencia de Masa
Fundamentos y Aplicaciones, cap. 10.