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• Manuel Hoyos Alayo

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CAPÍTULO 2

Destilación instantánea

2.1 MÉTODO BÁSICO DE DESTILACIÓN INSTANTÁNEA

Uno de los procesos de separación más simples y comunes es la destilación por evaporación instantánea, destilación instantánea, destilación de equilibrio o destilación flash. En este proceso, parte de una corriente de alimentación se evapora en una cámara de evaporación instantánea para separar vapor y líquido en equilibrio mutuo. El componente más volátil se concentrará más en el vapor. En general, este método no permite alcanzar un alto grado de separación ; sin embargo, en algunos casos, corno el de la desalación de agua de mar, se obtiene una separación completa. El equipo necesario para la destilación instantánea se ve en la figura 2-1. El líquido se somete a presión, se calienta y se hace pasar por una válvula de control o una boquilla, para entrar al tambor (o tanque) 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. Con frecuencia se emplea un separador de niebla (demister) o eliminador de arrastre para evitar que el vapor contenga gotitas de líquido. El sistema se conoce corno destilación "instantánea" porque al entrar la alimentación al tambor, la evaporación es extremadamente rápida. Debido al contacto íntimo entre el líquido y el vapor, el sistema en la cámara de destilación está muy cercano a una etapa de equilibrio. La figura 2-1 muestra un tambor vertical de evaporación instantánea, aunque también son frecuentes los tambores horizontales. El diseñador de un sistema de evaporación instantánea debe conocer la presión y la temperatura del tambor de destilación , el tamaño del tambor y las composiciones y flujos del líquido y el vapor. También debe conocer la presión , temperatura y flujo de la alimentación. Además, deberá conocer hasta dónde se debe aumentar la presión y la temperatura de la alimentación original. Deben seleccionarse las presiones de tal manera que a la presión de alimentación, pF, la alimentación quede abajo de su punto de ebullición y permanezca líquida, mientras que a la presión del tambor de destilación, P,amb' la alimentación se encuentre por encima de su punto de ebullición y se evapore algo de ella. Si la alimentación ya está caliente y/o la presión del tambor de destilación es bastante baja, puede no ser necesario utilizar la bomba y el calentador que se muestran en la figura 2-1. El diseñador tiene seis grados de libertad para trabajar en el caso de una separación binaria . En general, las especificaciones de la alimentación original ocupan cuatro de esos grados de libertad: 12

2.1

M étodo básico de destilación instantánea

13

T

r------ -,

PF

F, z

T,,Pt

Bomba

Separador de niebla

1 1

hF r-? - )d

Hv

1

F

Alimentación

V,y

1 1

l

Ttamb

¡

Calentador

Ptamb

1

1 1

L -----

j

'----ID·

l,

a.::

'

•

a.. a.::

1000

•

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1500 o

2000 2500 '3000

50 aw..

'T

:E LU

40

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3500 4000

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1-

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o 5, debe usarse un tanque de evaporación instantánea horizontal. Hay disponibles programas para calculadora, para diseñar tambores de evaporación instantánea tanto verticales corno horizontales (Blackwell, 1984). Para los tambores horizontales , Blackwell (1984) recomienda usar

K horizontal

= 1.25 K vertical

(2-64a)

Se calcula Ac con la ecuación (2-61) y se determina empíricamente el área transversal AT, que es

AT = AJ0.2

(2-64b)

y entonces, el diámetro del tambor horizontal es Dhorizontal

=

4 A T / 1T

(2-64c)

El intervalo típico de h 1 ,./D está entre 3 y 5. Los tambores horizontales se usan en especial cuando 0 se necesitan grandes capacidades para contener golpes de líquido. Evans (1980), Blackwell (1984) y Watkins (1967) describen procedimientos y métodos más detallados para diseñar tambores horizontales. Observe que el dimensionamiento podrá variar en industrias que no sean petroquírnicas. EJEMPLO 2-4.

Cálculo del tamaño del tambor

Un tambor vertical de destilación debe servir para recibir y evaporar instantáneamente una alimentación de 1500 lbmollh de un líquido con 40% mol de n-hexano y 60% mol de n-octano a 101.3 kPa (1 atm). Se desea obtener un vapor con 60% mol de n-hexano. La solución de las ecuaciones ae destilación instantánea con datos de equilibrio t:s xH = 0.19, Ttamb = 378 K y V/F = 0.51. ¿Qué tamaño de tambor se requiere?

Solución A. Defina. Deseamos calcular el diámetro y la longitud del tambor de evaporación instantánea. B. Explore. Se desea usar el método empírico representado por las ecuaciones (2-59) a (2-63). Para usarlo se deberán estimar las siguientes propiedades físicas: pL' Pv' PMv. Para ello se debe conocer algo del comportamiento del gas y de! líquido.

Capítulo 2

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Destilación instantánea

C. Planee. Suponer gas ideal y mezcla ideal para el líquido. Calcular pL promedio suponiendo que los volúmenes son aditivos. Calcular Pv con la ley del gas ideal. A continuación calcular upenn con la ecuación (2-59) y el diámetro con la ecuación (2-63). D. Hágalo. l. Densidad del líquido El peso molecular promedio del líquido es PML = xHPMH-+ x0PM 0 donde el subíndice H indica n-hexano y O es n-octano. Se calculan o se buscan los pesos moleculares. PMH = 86.17 y PM0 = 114.22. Entonces, P = (0.19)(86.17) + (0.81)(114.22) = 108.89. . El volumen específico es la suma de las fracciones molares multiplicada por los volúmenes específicos de los componentes puros (mezcla ideal):

De donde tenemos que, pH = 0.659 g/mL y p0 = 0.703 g/mL a 20°C. Así V =(O 19) L

86 17 · 0.659

•

+{O 81) ·

114 22 · 0.703

= 156 45 L/ -

l

· m g roo

Entonces,

PL

= PML = 108.89 = 0.6960 /roL VL 156.45 g

2. Densidad del vapor Para un gas ideal, la densidad, en moles por litro, es p v = nN por litro es Pv = p PM/RT. El peso molecular promedio del vapor es

donde yH

= p/RT, que en gramos

= 0.60, y y0 = 0.40; entonces PMv = 97.39lb/lb mol. El cálculo es Pv =

(1.0 atm)(97.39g/mol) (82.0575 mL atm )(378K) mol K

3. Cálculo de Ktamb" Cálculo del parámetro de flujo F1v: V= (V/F)(F) = (0.51)(1500) = 765 lb mollhr Wv = (V)(PM) = (765)(97.39) = 74,503lb/hr L = F -V = 735 lb moUhr

= 3_ 14 X 10_3 g/mL

2.9

Uso de tambores de destilación existe11tes

WL = (L)(PML)

=

(735)(108.39)

=

F

lv

WL

Wv

49

=

80,034lb/hr

[p\' = 80034

fpL

74503

3

3.14 X 10- = 0.0722 0.6960

De la ecuación (2-60), Kramb = 0.4433, que parece un poco alta, pero concuerda con la gráfica de Watkins (1967). 4. _K tamb PL- Pv Pv

U

perm-

= 0.4433 / 0.6960- 0.00314 = 6.5849 pies /s

0.00314 5. Ac=

Uperm

(3600) p V

(765)(97.39)(454 g /lb) =--------- -- -- ---------(6.5849)(3600)(0.00314 g lrnL)(28316.85 mL/pie

3)

= 16.047 pie 2

4 D=

c

= 4.01 pie

Usar un tambor de 4.0 pies de diámetro, o para estar seguros, uno de 4.5 pies de diámetro. 6. Si se usa h 101_/D = 4, h 10131 = 4(4.5 pies)= 18.0 pies. E. Compruebe. Es razonable el tamaño de este tambor. Se satisfacen los mínimos de hv y hr Observe que las unidades sí coinciden en todos los cálculos; sin embargo, se debe tener cuidado con ellas, en particular al calcular Ac y D. F. Generalice. Si no es válida la ley del gas ideal se podría insertar un factor de compresibilidad en la ecuación para Pv Observe que la mayor parte del trabajo está dirigida al calculo de las propiedades físicas. Eso sucede con frecuencia en el diseño de equipos. En la práctica, escogeremos un tambor de tamaño estándar (de 4.0 o 4.5 pies de diámetro), en lugar de mandarlo fabricar especialmente.

2.9 USO DE TAMBORES DE DESTILACIÓN EXISTENTES Con frecuencia, los equipos individuales duran más que toda la planta en sí. Este equipo usado queda entonces disponible, ya sea en el patio de la planta o con comerciantes de equipo usado. Siempre que el equipo usado esté limpio y estructuralmente entero (es más económico pagar un experto que lo revise), se puede usar en lugar de diseñar y construir equipo nuevo. El equipo usado y el equipo nuevo de línea serán menos costosos, con frecuencia , y su entrega será más rápida que el equipo nuevo diseñado especialmente; sin embargo, el equipo usado puede haber sido diseñado para una separación diferente . El desafío en el uso de equipo existente es adaptarlo con un costo mínimo , al nuevo problema de separación.

Capítulo 2

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Destilación instantánea

El tambor de destilación existente tiene especificadas sus dimensiones htotal y D. Al despejar V de las ecuaciones (2-61) y (2-62), para un tambor vertical, resulta V

- 1T(D)2 uperm (3600)pv 4PM

(2-65)

máx-

V

Esta velocidad de vapor es la máxima para el tambor existente, porque producirá una velocidad lineal de vapor igual a uperm· La capacidad máxima de vapor en el tambor limita al producto de (V!F) x F, porque debe cumplirse (V/F) F