destilacion y método ponchon

DESTILACIÓN

MARIA ISABEL MEJIA

DESTILACIÓN

* Cuando la mezcla a separar comprende especies que difieren ampliamente en su tendencia a vaporizar y condensar, las operaciones de vaporización flash o de condensación parcial pueden resultar adecuadas para alcanzar la separación deseada.

* Después de la T.M. la fase vapor se enriquece con respecto a las especies que son más volátiles, mientras que la fase líquida se enriquece en las especies menos volátiles.

* Cuando las diferencias de volatilidad no son suficientemente grandes, la vaporización flash o la condensación parcial resultan insuficientes.

DESTILACIÓN

DestilaciónSeparación insuficiente

* La destilación consta de múltiples contactos entre las fases de líquido y vapor. Cada contacto consiste en la mezcla de dos fases para producir la distribución de las especies, seguida de la separación de las fases.

* Los contactos se realizan frecuentemente sobre platos horizontales ó etapas dispuestos en una columna vertical.

* A medida que el vapor avanza hacia la cabeza de la columna se enriquece progresivamente en las especies más volátiles.

Destilación

Equilibrios

Operación en una sola etapa

Destilación Fraccionada

Método de Ponchon y Savarit

Método de McCabe-Thile

Equipo de contacto continuo (Torres Empacadas)

Equilibrios

Equilibrios a presión constante

Equilibrios a temperatura constante

Soluciones ideales. La ley de Raoult

Diagramas Entalpía - Concentración


Volatilidad Relativa

Presión aumentada

EQUILIBRIOS A PRESIÓN CONSTANTE


-Una mezcla en la curva inferior (punto D), es un líquido saturado.

-Una mezcla en la curva superior, (punto F), es un vapor saturado.

-Una mezcla en E es una mezcla de dos fases, que consta de una fase líquida de composición D y una fase vapor de composición F, en proporción tal que la composición promedio de toda la mezcla es E.

Equilibrios a presión constante Volatilidad Relativa


Volatilidad Relativa

• El número de etapas teóricas que se requiere para separar dos especies hasta un grado deseado depende de .• Cuanto mayor sea el valor de , mayor será el grado de separación.• Cuanto mayor es el alejamiento de la con respecto del valor unidad, menor es el número de etapas de equilibrio que se requieren para un determinado grado de separación.

En las operaciones de separación vapor-líquido, un índice de la separabilidad relativa de dos especies químicas viene dado por la volatilidad relativa (ó factor de separación)


• Cuando = 1.0, la separación no es posible

La volatilidad relativa y la separabilidad, generalmente son menores a presiones elevadas

Presión crítica

Equilibrios a presión

aumentada

a presiones mayores, las secciones a presión constante se intersecarán a temperaturas mayores.

EQUILIBRIOS A PRESIÓN AUMENTADA


* Las curvas se vuelven más cerradas

* La volatilidad relativa y la separabilidad, son menores a presiones elevadas

La volatilidad relativa y la separabilidad, generalmente son menores a presiones elevadas

Presión crítica

Equilibrios a presión

aumentada


Presión crítica

* Cuando se supera la presión crítica deja de existir la distinción entre el vapor y el líquido para ese componente y para mezclas.

* Las curvas anilladas se vuelven mas cortas.

* Para el componente A, la presión crítica se alcanza a la Pt3.

* Las separaciones por destilación solo pueden realizarse en la región en que exista una curva anillada.


Presión crítica

* En sistemas particulares, la presión crítica de la sustancia menos volátil puede alcanzarse antes que la presión crítica de la sustancia más volátil.

* A composiciones intermedias, la superficie doble de la figura en recuadro verde, se puede extender ligeramente más allá de las presiones críticas para cualquiera de las sustancias.


Equilibrios





Equilibrios

Los datos de equilibrio líquido-vapor, se determinan experimentalmente (excepto en el caso de algunas soluciones ideales y regulares).

Existen descripciones de métodos experimentales, listas de datos y referencias bibliográficas.

Equilibrios





Equilibrios





Definición

Desviaciones positivas del comportamiento ideal

Mezclas con punto de ebullición mínimo (Azeótropos)

Miscibilidad parcial de líquidos

Desviaciones negativas del comportamiento Ideal

Mezclas con punto de ebullición máximo (Azeótropos)


DefiniciónPara una solución ideal, la presión parcial en el equilibrio de un componente a una temperatura fija es igual al producto de su fracción mol en el líquido por su presión de vapor p cuando está puro a esta temperatura

Si la fase de vapor también es ideal, entonces:

SOLUCIONES IDEALES. LA LEY DE RAOULT

Composiciones Volatilidad

Þ Para soluciones ideales es posible calcular los equilibrios totales vapor-líquido a partir de las presiones de vapor de las sustancias puras.

Þ Para presiones demasiado elevadas como para aplicar la ley de los gases ideales, se utilizan las fugacidades en lugar de las presiones.


Definición







* Para una mezcla cuya presión total es mayor que la calculada para el ideal, se dice que muestra desviación positiva de la ley de Raoult.

* La mayoría de las mezclas pertenecen a esta categoría


Þ Las presiones parciales de cada componente son mayores que la presión ideal

Þ Cuando la concentración de cada componente se aproxima a la unidad en fracción mol, las presiones parciales para esa sustancia tienden tangencialmente al ideal.


Desviaciones negativas del comportamiento IdealCuando la presión total de un sistema en el equilibrio es menor que el valor ideal se dice que el sistema se desvía negativamente de la ley de Raoult



Þ Las presiones parciales de cada componente son menores que la presión ideal

Þ Cuando la concentración de cada componente se aproxima a la unidad en fracción mol, las presiones parciales para esa sustancia tienden tangencialmente al ideal.


Definición







Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro (un solo componente)

Definición

Punto de ebulliciónmínimo

Punto de ebulliciónmáximo

azeótropo o mezcla con punto de ebullición constante

Azeotropismo de punto de ebullición: mínimo en el sistema disulfuro de carbono-acetona. (Izquierda) A T° constante; (Centro ) y (derecha) a presión constante.



→ En C: el vapor en el equilibrio (E) está más enriquecido con la sustancia más volátil que el líquido (D). En F: el vapor en el equilibrio (G) es menos rico en la sustancia volátil que el líquido (H)



En el sistema Etanol-Agua, el azeotropismo desaparece a presiones menores de 70 mm Hg

Azeotropismo de punto de ebullición: máximo en el sistema acetona - cloroformo. (Izquierda) A T° constante; (Centro ) y (derecha) a P. cte.


Definición








Si la presión fuera lo suficientemente alta para que no hubiese evaporación, las curvas de solubilidad del líquido continuarían a lo largo de las líneas punteadas

Una mezcla líquida de composición L, que produce un vapor de la misma composición, se llama heteroazeotropo

Equilibrios






* Son de gran utilidad para realizar balances de materia y energía en procesos de destilación, cristalización, y en todos los tipos de problemas relacionados con el mezclado y la separación.

* Sirve para graficar equilibrios binarios

* La entalpía de solución del líquido incluye tanto el calor sensible como el calor de mezclado

HL = Mav CL (tL – t0) + ∆Hs calor sensible calor de

mezclado

H representa la entalpía molar de la corriente en su concentración y condición particular.

Hmezcla = xA.∆HA + xB.∆HB + ∆Hmezclado

calor sensible calor demezclado

MAV: masa promedio de la solución, molCL: Capacidad calorífica de la solución, energía/mol °C t0: Temperatura de referencia ó temperatura base∆Hs: Calor de disolución en t0. Si se desprende calor durante el mezclado, ∆Hs será negativo; para las soluciones ideales es cero.


mezclado



DIAGRAMAS ENTALPÍA - CONCENTRACIÓN

Þ Para líquidos saturados, tL es el punto de burbuja correspondiente a la concentración del líquido a la presión predominante.Þ Es conveniente referir todas las entalpías a la condición de disolvente líquido puro, gas diluyente puro (o disolvente) y soluto puro a la temperatura de referencia t0

ÞAsí, a cada sustancia se asigna una entalpía cero para su estado normal de agregación en t0 y 1 atm de presión.


HL = XA CpL,A (tL – t0) + XB CpL,B (tL – t0) + ∆Hs


mezclado



La ecuación mejor escrita

Entalpía de solución del líquido


* La entalpía del vapor saturado se calcula suponiendo que los líquidos sin mezclarse se calientan por separado como líquidos a la temperatura del gas tG

tG es el punto de formación del rocío

Los líquidos se evaporan a cada una de estas temperaturas y luego los vapores se mezclan

A, B = calores latentes de evaporación de las sustancias puras en tG, energ/mol.CL,A, CL,B = capacidades caloríficas de los líquidos puros, energía/mol °C.


HG = YA [λA + CpA (tG – t0)] + (1 - YA) [λB + CpB (tG – t0)]

La ecuación mejor escrita

Entalpía de solución del vapor

Gráfico Entalpía - Concentración


* En la parte superior (línea superior) se tienen las entalpías de los vapores saturados en sus puntos de formación de rocío VS. y; las entalpías de los líquidos saturados (línea inferior) se grafican en sus puntos de formación de burbuja VS. x.

*El calor necesario para evaporar completamente la solución C es HD – Hc energía/mol solución

* Los líquidos y vapores en el equilibrio pueden unirse mediante líneas de unión, como la línea EF

* Las distancias verticales entre las dos curvas a x = 0 y 1 representan los calores latentes molares de B y A respectivamente.

Gráfico Entalpía - ConcentraciónDIAGRAMAS ENTALPÍA - CONCENTRACIÓN

* El punto G representa la línea de unión EF

* Cuando se proyectan otras líneas de unión hasta la curva xy, dan como resultado la curva de distribución completa en el equilibrio.

* La composición de un líquido y un vapor en equilibrio son distintas, por eso se las une por medio de una línea de unión. Estas líneas son verticales para los componentes puros (ya que composición del líquido = composición vapor)

* Tienen una cierta inclinación dentro del diagrama (las composiciones del líq. y el vapor son distintas).

Destilación

Equilibrios







Evaporación instantánea

* La evaporación instantánea, también conocida como destilación en el equilibrio, destilación flash, destilación instantánea o evaporación flash.

* La mezcla líquida se vaporiza parcialmente, ya sea por una reducción de presión y/o por un calentamiento.

* Se permite que el vapor establezca un equilibrio con el líquido, y entonces se separan las fases de vapor y de líquido.

* Se puede hacer por lotes o en régimen continuo.

Evaporación instantánea

OPERACIÓN EN UNA SOLA ETAPA

F = D + WFZF = DYD + WXW

Balance de masa

Balance de entalpíaFHF + Q = DHD + WHW

Resolviendo las ecuaciones simultáneamente, se tiene

Evaporación instantánea OPERACIÓN EN UNA SOLA ETAPA

Los puntos de coordenadas:Þ(HD, YD) representa a DÞ(HW, XW) representa a WÞ(HF + Q/F, ZF): mezcla de alimentación después de abandonar el intercambiador de calor• Todas las operaciones de una sola etapa tienen pendiente negativa• W´ y D´ sería para comportamiento ideal

Condensación parcialOPERACIÓN EN UNA SOLA ETAPA

* Denominado también condensación Flash ó condensación instantánea

* En una condensación instantánea, una alimentación de vapor se enfría y se condensa parcialmente, separando las fases en un tanque para dar lugar a un líquido que es más rico en el componente menos volátil.

Condensación parcialOPERACIÓN EN UNA SOLA ETAPA

* Se emplea las mismas ecuaciones que para la evaporación instantánea solo que:

La mezcla alimentada es un vapor

El calor Q se toma negativo, ya que corresponde al calor eliminado en el intercambiador de calor para producir la condensación incompleta.

OPERACIÓN EN UNA SOLA ETAPA

En ambas operaciones, evaporación y condensación instantánea, puede haber un gran acercamiento al estado de equilibrio si el equipo es diseñado adecuadamente. Por esta razón, los cálculos se llevan a cabo bajo la consideración de que las corrientes que salen del tanque separador están en equilibrio.

El grado de separación alcanzado en este tipo de operaciones es muy pobre, excepto cuando la diferencia en los puntos de ebullición de las sustancias involucradas es muy grande.

Usualmente la evaporación instantánea es una operación auxiliar, previa a otras operaciones de separación más completas.

CONSIDERACIONES PARA LAS OPERACIONES DE UNA SOLA ETAPA

Destilación

Equilibrios






DESTILACIÓN FRACCIONADA

® Cuando se requiere un grado de separación alto, las corrientes de salida de un tanque de destilación instantánea deberían someterse a sucesivas etapas de separación para enriquecerse en los componentes deseados.

® Esto implicaría etapas sucesivas de evaporación de la corriente líquida y condensación del vapor


*Operación de destilación a contracorriente en varias etapas.

* Método de separación con alta pureza

* Método más usado


Características Destilación Fraccionada

* Zona o sección de la torre por encima del punto de alimentación, se le llama sección de absorción ó de enriquecimiento ó de rectificación

* Zona por debajo del punto de alimentación se llama zona de desorción ó agotamiento ó empobrecimiento

* Reflujo, es el líquido devuelto a la torre por la parte superior


Características Destilación Fraccionada

* Destilado: V ó L, material que se retira permanentemente y está enriquecido con el componente más volátil

* Residuos, fondos o colas: Líquido eliminado, enriquecido con el componente menos volátil


Balances Destilación Fraccionada

sección de enriquecimiento

Sección de agotamiento

Torre de destilación fraccionada completa

Destilación

Equilibrios






Sección de enriquecimiento


La torre de destilación fraccionada completa

Otros parámetros





Otros parámetros


Balance de materia total

Balance de materia por componente

Balance de entalpía, entorno III

Relación de reflujo interno

Punto de diferencia

Gráfico de entalpía-concentración

MÉTODO DE PONCHON Y SAVARIT




Balance de entalpía, entorno III


Se considera despreciable la pérdida de calor

Gn+1 = Ln + D (1)

Gn+1 yn+1 = LnXn + D ZD (2)Gn+1 yn+1 - LnXn = D ZD

Gn+1 HGn+1 = Ln HLn + QC + D HD (3)



Q´ = (DHD + QC) / D (4)Sea:

Relación de reflujo interno

Sustituyendo el valor de D de la ecuación (1) en (2) y (5), y

despejando Ln/Gn+1 se tiene:

Gn+1 HGn+1 - Ln HLn = DQ´ (5)



La relación de reflujo interno representa una línea recta en el diagrama entalpía-concentración, Hxy. La línea recta pasará por los puntos (Xn, HLn) (Yn+1, Gn+1) y (yD, Q’). El punto (yD, Q’) se denomina punto de diferencia y se simboliza con ∆D. En el diagrama x,y la relación de reflujo permite graficar la curva de operación para la zona de enriquecimiento

Punto de diferencia


Recordar que las líneas de unión cuando se proyectan hacia abajo, producen la curva de distribución del equilibrio

El punto de diferencia ∆D se utiliza de esta forma para todos los platos en la sección enriquecedora y se trabaja en forma descendente hasta alcanzar el plato de alimentación






Otros parámetros




Balance de entalpía, entorno IV

Relación L/G

Punto de diferencia






Balance de entalpía, entorno IV


Punto de diferencia

Relación L/G


Construcción de los puntos de la curva de operación






Otros parámetros


Balance de entalpía, entorno II


Balance completo de entalpía

Relación D/W

Mezcla de alimentación: F



Balance de materia entorno II

Balance completo de entalpía

Relación D/W


F = D + WF ZF = D ZD + W Xw

F HF = D Q´ + W Q´´

Mezcla de alimentación: F


Gráfico entalpía-concentración

F = ∆D + ∆w

- Las curvas de operación se intersecan en M, con base en la línea ∆DF∆w

- La mezcla de alimentación se introduce en el plato cuyo paso indica el punto M

H/h

y, x

y

yA1zA1xA1

D1

c1 =xD

D

c2 =xR

R

D2

V1,1A1

LA1O





Otros parámetros

Otros parámetros

Localización del plato de alimentación

Relación de reflujo



-La mezcla de alimentación se introduce en el plato cuyo paso indica el punto M

-Si la mezcla de alimentación es líquida, se introduce encima del plato, de forma que entre al plato junto con el líquido del plato superior.

-Si la mezcla de alimentación es vapor, se introduce por debajo del plato de alimentación.

-Si la mezcla de alimentación es una mezcla de líquido y vapor, se deberían separar e ingresarlos: la parte líquida arriba del plato de alimentación y la parte vapor por debajo.

Rara vez se hace por razones económicas.




* La entrada retrasada (a) o adelantada (b) de la mezcla de alimentación ocasiona un cambio en la composición producido por cada plato (disminuye) y se produce un adelgazamiento incrementando el número total de platos

* Se utiliza sólo en los casos en que la torre ya está equipada con una boquilla de alimentación asociada a un plato particular.

(a) (b)

Otros parámetros





Incremento

Relación de reflujo mínimo

Relación de reflujo óptima


Reflujo total



Al aumentar la relación de reflujo R = Lo/D :

• El numero de platos disminuirá,

• Aumentan las superficies del condensador y del rehervidor

• La sección transversal de la torre se deben aumentar para acomodar cargas mayores

H/h

y, x

y

yA1zA1xA1

DD

c1 =xD

D

c2 =xw

R

Dw

V1,1A1

LA1O

Relación de reflujoMÉTODO DE PONCHON Y SAVARIT

DD

Al aumentar R, el D se localiza en valores mayores de Q’

Al aumentar R, se disminuye la ubicación de w

El numero de platos disminuye ... (diapositiva anterior)

las curvas de operación en el diagrama xy se acerca a la diagonal de 45 ‘

Dw


Incremento




Reflujo total

Reflujo Total


* R =

* Las curvas de operación coinciden con la línea a 45 ’ en la gráfica xy

* Todo el destilado se devuelve en forma de reflujo al plato superior y volviendo a hervir el residuo debe detenerse la alimentación a la torre


Incremento




Reflujo total

Relación de reflujo mínimo (Rm)

ÞRm es la relación máxima que requerirá un número infinito de platos para lograr la separación deseada

Corresponde a la carga térmica mínima del rehervidor y de enfriamiento del condensador para la separación



Incremento




Reflujo total


-Cualquier relación de reflujo entre el mínimo y el infinito proporciona una separación de los componentes

- El número de platos teóricos variará desde lo infinito hasta el número mínimo




- La determinación del número de platos a distintos valores de R, junto con los valores limitantes de Nm y Rm, permite graficar toda la curva con suficiente exactitud

- El sistema de coordenadas permite ubicar fácilmente los puntos finales de la curva y evitará las incómodas asíntotas

Relación de reflujo más económica


La relación de reflujo que debe utilizarse para un nuevo diseño debe ser la óptima, o la relación de reflujo más económica (el costo es mínimo).

En la relación de reflujo mínima (Rm): la columna requiere un número infinito de platos, por tanto el costo fijo es infinito, pero son mínimos los costos de operación (calor para el rehervidor, agua de enfriamiento del condensador)

Un R alto conlleva a una disminución del número de platos, pero el diámetro de la columna crece debido a las cantidades mayores de líquido y vapor recirculados

Costo anual

Ejemplo

destilacion y método ponchon

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