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• Jenny Salas Fernández

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UNI-FIQT PI 144/A 144/A. CICLO 2013-2 2013 2

MÉTODO Mc CABE - THIELE

14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

Destilaciones Típicas p a nivel de Laboratorio

Termómetro Salida agua g Columna Entrada agua

Destilación Simple

Destilación Fraccionada

14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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Introducción Fundamentos de la Destilación

14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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Esquema mostrando la forma de operar de una Columna de Destilación

14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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¿Cuándo se usa Destilación? Cuando la volatilidad relativa es y q que 1,5 , mayor Cuando el producto no es sensible a la temperatura Cuando es despreciable la cantidad de sólidos en la alimentación *Fuente: (Woods, (Woods 1995) 14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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Compuesto B

EQUI ILIBRI IO VAP POR-LÍQUIDO O

Compuesto A

Ing. Rafael J. Chero Rivas

Temp, ºC

x, fracc mol y, fracc mol

Pt, kPa

CURVAS DE EQUILIBRIO

14/11/2013

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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e d

Te emperatura

TB T1

a: líquido frío b: líquido saturado c: mezcla líquido-vapor líquido vapor d: vapor saturado e: vapor recalentado

x

.

c

y

.b TA a

0% A f 100% B 14/11/2013

g Concentración

100% A 0% B

Ing. Rafael J. Chero Rivas

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Relación de Equilibrio Vapor-Líquido Volatilidad relativa α Por definición:

α = (y*/(1-y*))/(x/(1-x)) (y*/(1 y*))/(x/(1 x))

Despejando:

yi

α ( T ) ⋅ xi

1 + ( α ( T ) − 1) ⋅ x i

donde: yi: fracc. molar del mas volátil en la fase vapor xi: fracc. fracc mol del mas volátil en la fase líquida α (T): volatilidad relativa promedio, función de la temperatura 14/11/2013

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Curva de Equilibrio La volatililidad relativa se puede expresar en función de la fracción molar del componente más ligero en una mezcla binaria, como sigue:

( (

y /x y1 / x1 y 1 − x1 α1,2 = K1 / K 2 = 1 1 = = 1 y 2 / x 2 1 − y1 / 1 − x1 x1 1 − y1

(

)(

)

) )

Para componentes de cercanos punto de ebullición, α puede ser aproximadamente constante: α1,2 x1 y1 = 1 + x1 α1,2 − 1

(

)

Para componentes que no son de puntos de ebullición cercanos α puede variar, dependiendo de la composición. Incrementando la volatilidad relativa

Curva de Equilibrio y1 y1 Línea a 45º

Línea a 45º

x1

x1

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Método McCabe-Thiele para Torres de platos La columna mostrada consiste de: • Una U columna l d Np de N platos l teóricos • Un condensador que produce un reflujo líquido y un destilado • Un reboiler que produce vapor y un producto de fondos • Una alimentación intermedia. La destilación proporciona un destilado rico en el componente ligero y un fondo rico en el componente más p e s a d o . 14/11/2013

Condensador total

Vapor

Tanque

1 Zona Rectificación

Destilado

Reflujo j

2 Alimentación

f

Zona stripping

N

Et Etapa alimentación li t ió

V Vapor pRehervidor

parxial

Residuo

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Método McCabe-Thiele: Balance de masa en la columna Un balance de masa del componente más ligero alrededor de la columna da: F zF = x DD + x w W

U bbalance Un l dde masa totall da: d F=D+W ⎛ z −x w D =F⎜ F ⎜x −x w ⎝ D

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

1 2 Alimentación (L/V) F, zF

Reflujo

Destilado D, xD

f N Residuo Rehervidor

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W, xw

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Método McCabe-Thiele: Línea de Operación de la zona de rectificación yn + 1 =

Ln Vn + 1

xn +

D

x Vn + 1 D

En el caso de flujo molar constante, se prescinde de los subíndices: 1

L D y = x + xD V V

Línea de operación de la zona de rectificación Alimentación ((L/V)) ZF

n f

Reflujo Destilado L, xD= x0 xD

N Residuo Rehervidor

W, xw

El flujo de líquido que entra a la etapa 1 es el reflujo Lo y la relación Lo/D es la relación de reflujo R. R Si consideramos flujo molar constante, constante entonces R es constante y: L L L/ D R V

=

L+ D

=

L/ D+ D/ D

=

R +1 D D 1 = = V L + D R +1

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R = Lo/D

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Método McCabe-Thiele: Línea de Operación de la zona de Enriquecimiento y=

y=

L D x + xD V V

R 1 x+ x R +1 R +1 D

1

Si R y xD son especificadas, entonces se puede graficar la linea mostrada abajo: y1

L, xn

y2

y

y=

n

xD

V, yn+1

Línea a 45º

x1

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x D= x0

Destilado

Línea de Operación de la zona de Rectificación Pendiente di = L/V / = R/(R+1) /( )1

yB

V +1 1 y= B x− x VB VB B

Línea a 45º

x B 14/11/2013

xN

x

xm

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Condición térmica de la alimentación

e d

.

Te emperatura

TB T1

x

c

y

.b TA

Se muestran las 5 condiciones térmicas que puede tener la alimentación de la columna: a: líquido frío b: líquido saturado c: mezcla líquido-vapor d: vapor saturado e: vapor p recalentado

a

0% A f 100% B

g Concentración

14/11/201314/11/2013

100% A 0% B

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Condición térmica de la alimentación

Se muestra lo que ocurre en el plato de alimentación para las 5 condiciones térmicas con las cuales se podría í alimentar a una Columna de Destilación: ó Vapor recalentado Vapor p saturado Mezcla líquido-vapor Líquido saturado Líquido frío 14/11/2013

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Línea q q>1

Ecuación de la recta q: y = q/(q – 1)x – zF/(q – 1)

q=1 y

q es determinada por el

0 1

xw

Condensador total

Vapor

zF

xs

xD

Observar que también en este caso, existen 3 rectas operación. Las ecuaciones de tales rectas han sido determinadas con el balance de materia. 14/11/2013

Zona rectificación

de

1 2

Corriente lateral (líquido o vapor)

Alimentación Zona Stripping

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Destilado

Reflujo

N

Fondos Rehervidor parcial

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Uso de vapor vivo Condensador total

Vapor Zona Rectificación

1 2

Alimentación

Sección Stripping

Destilado

Reflujo

Etapa alimentación

N H2O(v)

Solamente se puede utilizar vapor vivo, cuando uno de los componentes es agua y además el otro componente es el mas volátil.

Fondos

Considerar la cascada mostrada arriba: En este caso, caso el vapor que era producido en el rehervidor (ver figuras anteriores) es reemplazado por vapor de agua (producido por el caldero), y entra en la etapa del fondo de la columna (etapa N ) Np). 14/11/2013

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Uso de vapor vivo y Curva Equilibrio

Línea de Operación Sección Rectificación: Pendiente = L/V = R/(R+1) < 1

Alimentación: Líquido Saturado

Línea operación sección Stripping: Pendiente = L/V > 1

Condensador total

Vapor

xw

zF

xD

Observar que la recta de operación de la zona inferior pasa por (0, xw), según se demuestra realizando li d un balance b l d de materia. 14/11/2013

Sección Rectificación

1 2

Etapa alimentación

Alimentación Zona Stripping

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Destilado

Reflujo

N H2O(v)

Fondos

Vapor vivo 31

Columna de Destilación compleja

Se muestra una Columna de Destilación compleja para separar la mezcla Benceno-Tolueno. Trate de construir su Diagrama de operación.

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