operaciones de destilaci Ón asistida … · composición del residuo en una destilación simple...

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1

Universitat d’AlacantUniversidad de Alicante

Ampliación Operaciones de Separación. 3. Destilación asistida

OPERACIONES DE OPERACIONES DE DESTILACIDESTILACIÓÓN ASISTIDAN ASISTIDA(ENHANCED DISTILLATION)

• Superficies de equilibrio L-L-V

• Mapas de curvas de residuo y de líneas de destilación

• Regiones de productos posibles

• Aplicación a la destilación azeotrópica

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INTRODUCCIÓN

� RECTIFICACIÓN

BINARIA

TERNARIA

MULTICOMPONENTE

• Gráficos: McCabe-Thiele/Ponchon-Savarit• Analíticos: Sorel-Lewis/Sorel

• Algebraicamente: métodos generales para mezclas multicomponentes

• Lentitud• Dificultades de convergencia• Necesidad de estimaciones iniciales adecuadas

• Primeros métodos:Thiele-Geddes/Lewis-Matheson

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Destilación extractivaDestilación azeotrópicaDestilación con salDestilación reactiva

Mezcla binaria Agente de Separación Mezcla ternaria

Información previa necesariapara la predicción de los productos posibles

DESTILACIÓN ASISTIDA(enhanced distillation)

• Temperatura de ebullición de componentes puros y azeótropos

• Composición del azeótropo

76.7ºC

Etanol (78.3ºC)

84.4ºCTolueno(110.6ºC)

78.1ºC

74.6ºC

Agua(100ºC)

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II. Base para el diseño y síntesis de secuencias decolumnas.

Identificación de las regiones de productos posiblesen la separación por destilación de mezclas ternarias.

I. Facilitar la convergencia de los métodos de cálculo disponibles.

OBJETIVOS

5



Curva de residuo: representación gráfica de la evolución de la composición del residuo en una destilación simple abierta diferencial

Línea de destilación: representación gráfica del perfil de composición en una columna de platos a reflujo total

Región de destilación: todas sus curvas de residuo parten del mismo origen y llegan al mismo destino

Fronteras de destilación: líneas que separan a las regiones de destilación

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ASPECTOS GEOMÉTRICOS DEL EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR Y LÍQUIDO-LÍQUIDO-VAPOR

SUPERFICIES DE

EQUILIBRIO

La zona L-L-V está definida porlos triángulos de reparto

Existen dos regiones de líquido subenfriado

Línea de vapor

Región de equilibrio L-V

Último triángulo de reparto = recta de reparto PP-LV

2

7


Ampliación Operaciones de Separación. 3. Destilación asistida 8



línea de reparto L-V (PP-LV)

línea de vapor

curva de solubilidada presión constante(a la temperatura deebullición del líquido)

línea de reparto L-L(a la temperatura de ebullición)

I

L

I Componente de volatilidad intermediaH Componente menos volátilL Componente más volátil

H

triángulo dereparto

Aspectos geométricos

9



• Características del equilibrio de los sistemas binarios

• Existencia y naturaleza de los azeótropos ternarios

DIFERENTE ASPECTO DEL DIAGRAMA SEGÚN:

10



11





3

13



14




MAPAS DE CURVAS DE RESIDUO

t = 0, ξξξξοοοο = 0 y W = Wo

dtdW

W1

dtdξ

−=

W(t)W

lnξ(t) o= iii yx

dξdx

−=

W, x i

V, yi

D, xD

Ecuación de Lord Rayleigh

WdtdW)x(y

dtdx

iii −=

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A P fija puede calcularse el resto de variables en función de ξξξξ

P, T, ξξξξ, x1, x2, x3, y1, y2, y3

7 ecuaciones

9 variablesi = 1,2

yi = Kixi i = 1, 2, 3

iii yx

dξdx

−=

1x3

1ii =∑

=

1xK3

1iii =∑

=

16



Azeótropos

T1

T2

T3T4T5

T <T <T <T <T1 2 3 4 5

• Región de destilación

• Frontera de destilación simple

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Agua (100ºC)

Ác. fórmico(80.1ºC)

Ác. acético(127.9ºC)

107.5ºC

107ºC

Benceno(80.1ºC)

Ciclohexano(82.3ºC)

Tetracloruro decarbono (76.8ºC)

77.6ºC

64ºC

Acetona (56.3ºC)

53.4ºCMetanol(64.7ºC)

Cloroformo(61.68ºC)

55.0ºC

58.0ºC

76.7ºC

Etanol (78.3ºC)

84.4ºCTolueno(110.6ºC)

78.1ºC

74.6ºC

Agua(100ºC)

0=−=ξ

iii xy

ddx

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Tipos de puntos singulares

Nodo estable

Nodo inestable

Silla

4

19



Doherty & PerkinsObtención aproximada del mapa de curvas de residuo de un sistema ternario

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

• Número de azeótropos(binarios y ternarios)

• Temperaturas de ebullición de los componentes puros

• Composición y temperatura de los azeótropos

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

20



Doherty y PerkinsObtención aproximada del mapa de curvas de residuo de un sistema

ternario

N1 + S1 = 3

N2 + S2 = B ≤≤≤≤ 3

N3 + S3 = 0 ó 1

2 N3 – 2 S3 + 2 N2 – B – N1 = 2

N = número de nodosS = número de sillasB = número de azeótropos binariosSubíndice = número de componentes

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Paso 1. Etiquetar el diagrama ternario con las temperaturas de ebullición normales de los componentes puros. Situar los azeótropos binarios y ternarios y etiquetarlos también con sus puntos de ebullición. En este paso se establece el valor de B.

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

B = 3

22



Paso 2. Dibujar flechas en los lados del triángulo entre cada par de especies adyacentes en el sentido de temperaturas de ebullición crecientes.

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

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Paso 3. Establecer el tipo de punto singular de cada vértice: esto determina el valor de N1 y S1. Si existe un azeótropo ternario, continuar en el paso 4, en caso contrario, ir al paso 6.

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºCSilla

Silla

NodoNodo

N1 = 1

S1 = 2

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Paso 4 (existe un azeótropo ternario). Determinar el tipo de punto singular del azeótropo ternario, si existe.

Nodo: a) N1 + B < 4 y/o b) excluyendo las sillas de componente puro, el ternario tiene el mayor, segundo mayor, el menor o el segundo menor punto de ebullición de todas las especies.

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

Nodo

N3 y S3.

Si se trata de un nodo: continuar en el paso 6

Si es una silla, continuar en el paso 5.

N3=1

S3=0

5

25



Paso 5 (silla ternaria). Conectar la silla ternaria, mediante rectas, con todos los nodos correspondientes a azeótropos binarios y a componentes puros y dibujar las flechas en el sentido de temperaturas crecientes. Determinar el tipo de punto singular de cada azeótropo binario. De esta forma se obtienen los valores de N2 y S2. Con esto se completa el desarrollo aproximado de la curva de residuo, aunque si N1 + B = 6, deben hacerse comprobaciones adicionales.

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Paso 6 (nodo ternario o ausencia de azeótropo ternario). Se determina el número de nodos binarios (N2) y de sillas binarias (S2) mediante las siguientes relaciones:

N2 = (2 – 2 N3 + 2 S3 + B – N1)/2

S2 = B – N2

N2 = 1S2 = 2

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

NodoN3=1

S3=0

N1 = 1

S1 = 2

B=3

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Paso 7. Contar el número de azeótropos binarios con puntos de ebullición intermedios (que no son ni la especie de mayor ni la de menor punto de ebullición). Hacer Bib igual a dicho número. Realizar el siguiente test de consistencia:

a) B – Bib = N2

b) S2 ≤ Bib

Si ambas pruebas no se cumplen, hay un error en las temperaturas de ebullición de una o más especies.

a) Bib = 2, N2 = 1, B – Bib = 3 – 2 = 1 = N2

b) S2 = 2, Bib = 2 , S2 ≤≤≤≤ Bib

Ambas pruebas se cumplen

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Paso 8. Si S2 ≠ Bib, este procedimiento no permite determinar una única estructura para el mapa de curvas de residuo. Si S2 = Bib, entonces hay una única estructura, que se completa en el paso 9.

S2 = 2, Bib = 2 , S2 = Bib

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Paso 9. (S3 = 0, N3 = 0 ó 1 y S2 = Bib). Las fronteras de destilación, si hay, se trazan en el diagrama ternario como rectas, pudiendo además dibujarse de forma aproximada las curvas en cada región.

• Número de fronteras = S2• Cada silla binaria ha de conectarse con un nodo

• Un nodo ternario ha de conectarse con al menos una silla binaria

• Un componente puro no puede conectarse con un nodo ternario

• Un nodo inestable no puede conectarse con un nodo estable

30



Paso 9 (Continuación):Las conexiones se realizan determinando una conexión para cada silla binaria de forma que:

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

b) Una silla binaria de punto de ebullición máximo se conecta con un nodo estable que hierva a mayor temperatura.

a) Una silla binaria de punto de ebullición mínimo se conecta con un nodo inestable que hierva a menor temperatura.

6

31



L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

32



UTILIDAD DE LOS MAPAS:UTILIDAD DE LOS MAPAS:

• Detección de los azeótropos

• Determinación de productos de máxima pureza

• Importancia de las fronteras de destilación para las mezclas ternarias

• Relación con los diagramas T-composición

• Generalmente no son rectas

L

HI

90ºC

80ºC

100ºC

105ºC110ºC

115ºC

120ºC

33




MAPAS DE LÍNEAS DE DESTILACIÓN

xi, j+1 = yi, jyi,j = Ki,j xi,j

Una línea de destilación representa el perfil de composición en una columna de pisos funcionando a reflujo total piso j

piso j+1

Alimento

Residuo

Destilado

xi,j

xi,j+1yi,j

yi,j+1

34



xi, j+1 = yi, j

iii yxξx

−=∆

∆iiix xy −=∆

1−=ξ∆

Curva de residuo:

Línea de destilación:

ji,1ji,ix xx −=∆ + ji,ji,ji,x xy −=∆

Si ∆x = -1, la trayectoria de la curva de residuo coincide con la de la línea de destilación.

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xi

yi

xj

yj

ρ1

δ2δ1

δ δ

ρ1 2

1

i j

i j

, Curvas de destilación Curva de residuo

x, x Fase líquiday , y Fase vapor

1) Rectas de reparto tangentes a las curvas de residuo

2) Rectas de reparto cuerdas de las líneas de destilación

36



7

37





Equilibrio L-L-V:

• En la región de líquido heterogéneo, parte de las fronteras de destilación coinciden con la línea de vapor

• La desviación se produce a partir de la composición del primer vapor que coincida con un líquido homogéneo

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REGIONES DE SEPARACIÓN PARA LA DESTILACIÓN TERNARIA

CONDICIONES QUE HAN DE CUMPLIR LOS PRODUCTOS DE CONDICIONES QUE HAN DE CUMPLIR LOS PRODUCTOS DE UN PROCESO DE RECTIFICACIUN PROCESO DE RECTIFICACIÓÓNN

� Han de satisfacer el balance de materia con el alimento.

� Han de ser los puntos extremos del perfil de composición desarrollado dentro de la columna.

1-pro 97.2º

metanol 64.7ºC

panolC

etanol 78.5ºC

F

D

B

línea demezcla

P = 1 barF

D

B

41



H

L

I

Mapa de líneas de destilación para un sistema ideal

L: Componente más volátilI: componente de volatilidad intermediaH: componente menos volátil

Recta de balance de materia

cuerda de una líneade destilación

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Regiones de separación para el alimento F

REGIONES DE SEPARACIÓN

� Rectas de balance de materia que pasan por el nodo estable y por el nodo inestable

� Línea de destilación que pasa por F

H

L

I

F

8

43



F= B

L= D

Ha)

I

H = Bd)

b)

B

B’

F

L= D

H I

D

D’’

B’

L

H = B’’

c)

IB

FD

L

I

F

Evolución de los productos obtenidos a partir de F al aumentar el caudal de D

44



Regiones de separación para cuatro alimentos en distintas regiones

acetona

(56.2ºC)

metanol

(64.7ºC)cloroformo

(61.2ºC)

64.4ºC

55.7ºC

53.4ºC

F1

D1B1

F2

D2

B2

F3 D3

B3

B4

D4

45



IH

L

B2

D2

D1

B3

B1

D4

D5

B4

B5

F2

F1

IH

L

F1

46



REGIONES DE SEPARACIÓN A RAZÓN DE REFLUJO FINITA

L

H

Curva de residuoque pasa por B

Región de posibles perfilesde agotamiento asociadoscon B

Curva de puntos de conjunción asociadaa B

B I

47



F

Curvas de puntos de

conjunción

Región paralos perfiles de

agotamiento

Región para

los perfiles de

enriquecimiento

Curvas de

residuoZona de

solapamiento

L

H I

D

Recta de

balance demateria

B

Curvas de

puntos deconjunción

Región para

los perfiles de agotamiento

Región para

los perfiles deenriquecimiento

Curvas de residuo

L

H I

D

B

F

48



L

H I

Curva de

puntos de

conjunción

del alimento

Región de

posibles

destilados

Región de

posibles

residuos

F

9

49



•• Las curvas de puntos de conjunciLas curvas de puntos de conjuncióón del n del alimento en todas las regiones de alimento en todas las regiones de destilacidestilacióón posibles.n posibles.

•• La curva de residuo que pasa por el La curva de residuo que pasa por el alimentoalimento

•• Las rectas de los balances globales de Las rectas de los balances globales de materia limitantesmateria limitantes

•• Las fronteras de destilaciLas fronteras de destilacióónn

Regiones de productos posibles. Caso general Regiones de productos posibles. Caso general (sistemas no ideales)(sistemas no ideales)

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VENTAJAS DE LOS PROCESOS DE DESTILACIÓN CONTINUA

APLICACIÓN INDUSTRIAL DE LA DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Y EXTRACTIVA

EL AGENTE SEPARADOR HA DE FACILITAR LA SEPARACIÓN DEL AZEÓTROPO

APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS GEOMÉTRICOS AL DISEÑO DE OPERACIONES DE DESTILACIÓN

AZEOTRÓPICA

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CONDICIONES QUE DEBE CUMPLIR UN AGENTE DE SEPARACIÓN PARA UN PROCESO DE DESTILACIÓN

HOMOGÉNEA

• Las fronteras de las regiones de destilación no han de conectar con el azeótropo binario que se pretende separar (A-B).

• A o B, pero no ambos, han de ser una silla.

A y B: azeótropo mínimo, I = E no forma azeótropo.

A y B: azeótropo mínimo, L = E azeótropo máximo con A.

A y B: azeótropo mínimo, I = E azeótropo máximo con A.

A y B: azeótropo máximo, I = E azeótropo mínimo con B.

A y B: azeótropo máximo, H = E azeótropo mínimo con B.

MAPAS

A: menos volátilB: más volátil

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Alimento binario:A = IB = HE = agente de separación = L

B

A

Azeótropo A-E

2

B

1Alimento(A + B)

Grupo 2

A

E

A B

E

A y B: azeótropo mínimo

L = E y A: azeótropo máximo

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AGENTE DE SEPARACIÓN PARA UN PROCESO DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA HETEROGÉNEA

Ha de formar un azeótropo heterogéneo binario o ternario

Vapor de cabeza

Dos fases líquidas que se separan en un decantador. La fase rica en disolvente se devuelve a la columna como reflujo y la otra

fase se pasa a una segunda columna para su posterior separación.

Normalmente ambas fases quedan en distintas regiones de destilación: los componentes a separar no han de quedar

necesariamente en la misma región de destilación.

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Ampliación Operaciones de Separación. 3. Destilación asistidaB

A

AAA

AAA

BBB

BBB

E

EEE

EEE

Mapas de curvas de residuo compatibles con secuencias de destilación azeotrópica heterogénea

10

55



Destilación azeotrópica

Alimento89% etanol11% agua

Etanol

22% etanol74% benceno4% agua


Agua

89% etanol11% agua

49% etanol51% agua

aprox. 100%

Benceno



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Alimento89% etanol11% agua

Etanol



Agua

89% etanol11% agua

49% etanol51% agua

aprox. 100%

Benceno



residuo de lasegunda columna

alimento de lasegunda columna

mezcla global en la primera columna

fase rica en bencenoprocedente del decantador

F

FronteraRecta de repartoRecta de balance de materia

Curva binodalEtanol

Agua Benceno

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• Cada región de destilación contiene un componente puro.

• El azeótropo ternario es un nodo inestable (temperatura de ebullición mínimo global).

• Los tres azeótropos binarios son sillas (temperaturas de ebullición intermedias).

• Los componentes puros son nodos estables (temperaturas de ebullición máximos locales).

• La curva de solubilidad corresponde al proceso a presión constante en lugar de a temperatura constante como suele ser habitual.

residuo de lasegunda columna

alimento de lasegunda columna

mezcla global en la primera columna

fase rica en bencenoprocedente del decantador

F

FronteraRecta de repartoRecta de balance de materia

Curva binodalEtanol

Agua Benceno

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CONCLUSIONES

• Utilidad de los mapas de curvas de residuo y de curvas de destilación para realizar estimaciones preliminares de las regiones de composiciones de los productos posibles en la destilación de mezclas ternarias no ideales.

• Utilidad de conocer a priori la forma cualitativa del diagramatridimensional temperatura-composición.

• La superposición de las rectas de balance de materia sobre estos mapas permite delimitar fácilmente las regiones de productos posibles a reflujo total, que proporcionan una buena aproximación de las regiones de productos posibles a razón de reflujo finita.

• El conocimiento previo de las regiones de separación es imprescindible para planificar secuencias de columnas adecuadas.

• Finalmente, se han descrito los mapas compatibles con secuencias de destilación azeotrópica y se han aplicado los conceptos desarrollados para analizar ejemplos concretos.

operaciones de destilaci Ón asistida … · composición del residuo en una destilación simple...

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