destilacion multicomponente

DESTILACIN DE MULTICOMPONENTES

PNF EN PROCESOS QUMICOSINGENIERA EN PROCESOS QUMICOS

FERNANDO NEZ, Ing. Qumico, Esp. [email protected]

e-mail: [email protected]

DESTILACIN FRACCIONADA MULTICOMPONENTE

1. MTODO F.U.G2. PSEUDOBINARIO (MTODO DE HENGSTEBECK)

MTODOS APROXIMADOS O CORTOS A UTILIZAR

2. PSEUDOBINARIO (MTODO DE HENGSTEBECK)

DESTILACIN FRACCIONADA MULTICOMPONENTE

MTODO F.U.GF: USO DE LA ECUACIN DE FENSKE PARA DETERMINAR ELNMERO MNIMO DE PLATOS.U: USO DEL MTODO DE UNDERWOOD PARA DETERMINAR ELU: USO DEL MTODO DE UNDERWOOD PARA DETERMINAR ELREFLUJO MNIMO.G: USO DE LA METODOLOGA DE GILLILAND PARA DETERMINAR ELNMERO DE ETAPAS A UNA CONDICIN DE REFLUJO DADO.

MTODO F.U.G

CONSIDERACIONES INICIALES:1. DADA UNA SEPARACIN PARA TOPE Y FONDO DE LA

COLUMNA (DISTRIBUCIN DE LOS COMPONENTES), SEDEBEN ELEGIR DOS COMPONENTES CLAVES: CLAVELIGERO (CLK) Y CLAVE PESADO (CHK). ESTOS DOSCOMPONTES POR LO GENERAL ESTN PRESENTES EN ELTOPE Y EN EL FONDO.TOPE Y EN EL FONDO.

2. LOS COMPONENTES MS LIGEROS QUE EL CLAVE LIGERO(CLK) SE DISTRIBUYEN CASI TOTALMENTE EN EL TOPE YLOS COMPONENTES MS PESADOS QUE EL CLAVEPESADO SE DISTRIBUYEN CASI TOTALMENTE EN ELFONDO.

MTODO F.U.G

COMPONENTE ALIMENTACIN (mol/H)

TOPE (mol/H) FONDO (mol/H)

METANO, C1 26 26 0

ETANO, C2 9 9 0

PROPANO, C3 25 24.6 0.4

n-BUTANO, C4 17 0.3 16.7

n-PENTANO, C5 11 0 11.0

n-HEXANO, C6 12 0 12.0

TOTAL 100 59.9 40.1

CLK: PROPANO, C3 (EQUIVALENTE AL MS VOLTIL)CHK: n-BUTANO (EQUIVALENTE AL MENOS VOLTIL)

MTODO F.U.G3. DETERMINACIN DE LA TEMPERATURA DEL TOPE Y FONDO DELA COLUMNA SI LA PRESIN DE LA COLUMNA ES CONOCIDA.

CONDENSADOR TOTAL

xDixOi

yi SE CALCULA LA TEMPERATURA DEBURBUJA: yi = Ki*xi

xDixOi

CONDENSADOR PARCIAL

yDixOi

yi SE CALCULA LA TEMPERATURA DEROCIO: xi = yi / Ki

(Lquido saturado)

(Vapor saturado)

MTODO F.U.G4. DETERMINACIN DE LA VOLATILIDAD RELATIVA

i = Ki / KrefDonde:Kref: K de referencia, generalmente se asume como la K del CHK(componente clave pesado).

i = Ki / KCHKi i CHK

Para efectos de la aplicacin del mtodo se utiliza la volatilidad delcomponente clave ligero.

CLK = KCLK / KCHK

MTODO F.U.G5. DETERMINACIN DE LA VOLATILIDAD RELATIVA PROMEDIO (YAQUE LA VOLATILIDAD CAMBIA CON LA TEMPERATURA, AUNQUECUANDO SE ASUMA PRESIN CONSTANTE).

1. Evaluar a la temperatura promedio de la columna entre el tope (D) yel fondo (F) Tprom = (TD + TF) / 2

2. Evaluar como prom = (D + F) / 22. Evaluar como prom = (D + F) / 2

3. Evaluar prom a la temperatura de la alimentacin

4. Evaluar prom como (D*F)1/2

5. Evaluar prom como (D*alim*F)1/3

MTODO F.U.GPARA CALCULAR EL NMERO MINIMO DE PLATOS SEUTILIZA LA ECUACIN DE FENSKE:

NMIN = log [(DCLK / DCHK) * (BCHK / BCLK)] / log (prom (CLK))NMIN : nmero mnimo de platosDCLK: cantidad en el destilado del componente clave ligeroDCLK: cantidad en el destilado del componente clave ligeroDCHK: cantidad en el destilado o tope del componente clavepesadoBCHK: cantidad en el fondo del componente clave pesadoBCLK: cantidad en el fondo del componente clave ligeroprom (CLK)): volatilidad promedio para el componente claveligero

MTODO F.U.G



METANO, C1 26 26 0

EL BALANCE DE MATERIA SE MUESTRA EN LA TABLA ANEXA, SI LACOLUMNA OPERA A 315 psia. LA ALIMENTACIN ESTA PARCIALMENTEVAPORIZADA (q = 0.34). LA COLUMNA ESTA EQUIPADA CON UNCONDENSADOR PARCIAL. DETERMINE EL NMERO MNIMO DEETAPAS TERICAS.

METANO, C1 26 26 0

ETANO, C2 9 9 0

PROPANO, C3 25 24.6 0.4

n-BUTANO, C4 17 0.3 16.7

n-PENTANO, C5 11 0 11.0

n-HEXANO, C6 12 0 12.0

TOTAL 100 59.9 40.1

MTODO F.U.GCOMPONENTES CLAVES.LIGERO (CLK): n-PROPANOPESADO (CHK): n-BUTANO

COMPONENTE TOPE (90 F) FONDO (230 F)

KCLK (PROPANO) 0.514 2.146

KCHK (n-BUTANO) 0.177 1.359

CLK 2.904 1.579

MTODO F.U.G

Tomando la volatilidad como un promedio geomtrico, se tiene:CLK = (2.904*1.579)1/2 = 2.141

Sustituyendo en la ecuacin de Fenske:

NMIN = log [(DCLK / DCHK) * (BCHK / BCLK)] / log (prom (CLK))NMIN = log [(24.6 / 0.3) * (16.7 / 0.4)] / log (2.141)

NMIN = 10.69 etapas

MTODO F.U.GPARA CALCULAR REFLUJO MNIMO SE UTILIZA EL

MTODO DE UNDERWOOD:

1. SE RELACIONA LA COMPOSICIN DE LAALIMENTACIN CON LA CONDICIN TRMICA DE LAMISMA.

2. SE DETERMINA LA VOLATILIDAD RELATIVAPROMEDIO DE CADA COMPONENTE PRESENTE,UTILIZANDO PARA ELLO LAS ALTERNATIVASDESCRITAS CON ANTERIORIDAD.

3. SE DETERMINA UN FACTOR EL CUAL SEENCUENTRA NUMERICAMENTE COMPRENDIDOENTRE LA VOLATILIDAD DE LOS COMPONENTESCLAVES

MTODO F.U.GECUACIONES:1. ENCUENTRE EL VALOR DE (VALOR COMPRENDIDO

ENTRE LA VOLATILIDAD DE LOS COMPONENTES CLAVE)

[(j*zj) / (j )] = 1-q ( Esta ecuacin se resuelve por tanteo)(sumatoria desde j =1, hasta N componente)(sumatoria desde j =1, hasta N componente)

j = Kj / KCHKDonde:j: volatilidad promedio del componente jzj: composicin del componente j en la alimentacin: factor del mtodo de Underwoodq: condicin trmica de la alimentacin

MTODO F.U.GECUACIONES:

2. Sustituya el valor de en la siguiente ecuacin para determinar (L0 /D)min = Rmin

(L0 / D)min +1 = [(j*xDj) / (j )] (sumatoria desde j =1, hasta N componentes)(sumatoria desde j =1, hasta N componentes)

j = Kj / KCHKDonde:xDj: composicin del componente j en el tope o destiladoD: flujo total de tope o destilado

MTODO F.U.G



METANO, C1 26 26 0

EL BALANCE DE MATERIA SE MUESTRA EN LA TABLA ANEXA, SI LACOLUMNA OPERA A 315 psia. LA ALIMENTACIN ESTA PARCIALMENTEVAPORIZADA (q = 0.34). LA COLUMNA ESTA EQUIPADA CON UNCONDENSADOR PARCIAL. DETERMINE EL REFLUJO MNIMO.

ETANO, C2 9 9 0

PROPANO, C3 25 24.6 0.4

n-BUTANO, C4 17 0.3 16.7

n-PENTANO, C5 11 0 11.0

n-HEXANO, C6 12 0 12.0

TOTAL 100 59.9 40.1

MTODO F.U.GENCONTRANDO LA VOLATILIDAD PROMEDIO CON LA TEMPERATURADE LA ALIMENTACIN1. SE DETERMINA LA TEMPERATURA DE LA ALIMENTACIN CONPROCEDIMIENTO CONOCIDO POR UDS. RECORDANDO QUE LA MISMASE ENCUENTRA PARCIALMENTE VAPORIZADA, ES DECIR TANTO ELLQUIDO COMO EL VAPOR ESTN EN EQUILIBRIO.

COMPONENTE K A 205 FCOMPONENTE K A 205 FMETANO 15.0ETANO 3.8

PROPANO 1.55n-BUTANO 0.80

n-PENTANO 0.38n-HEXANO 0.19

MTODO F.U.G

COMPONENTE j zj [(j*zj) / (j )] xD [(j*xDj) / (j )]

= 1.4 = 1.37 = 1.352

Metano 18.75

0.26

0.281 0.280 0.280 0.435 0.469

Etano 4.75 0.09

0.128 0.126 0.126 0.15 0.2109

Propano 1.94 0.25

0.898 0.851 0.825 0.41 1.353

n-Butano 1.00 0.17

-0.425 -0.459 -0.483 0.005 -0.014

n-Pentano 0.48 0.11

-0.057 -0.059 -0.061

n-Hexano 0.24 0.12

-0.025 -0.025 -0.026

0.800 0.714 0.661 2.018(L0 / D)min +1 = [(j*xDj) / (j )] = 2.018

(L0 / D)min = 2.018 1 = 1.018

MTODO F.U.GDETERMINACIN DEL NMERO DE PLATOS A REFLUJO DADO OREFLUJO DE OPERACIN

SE UTILIZA LA CORRELACIN DESARROLLADA POR GILLILAND

(N Nmin) / (N +1)

(R Rmin) / (R +1)DondeR: reflujo de operacinRmin: reflujo mnimo calculado por el mtodo de UnderwoodNmin: nmero mnimo de etapas determinado por el mtodo de FenskeN: nmero de etapas a reflujo de operacin

MTODO PSEUDOBINARIO O MTODO DE HENGSTEBECK

EL MTODO SE BASA EN TRANSFORMAR LA MEZCLAMULTICOMPONENTE EN UNA MEZCLA BINARIA, FORMADA POR LOSCOMPONENTES CLAVES.

EL COMPONENTE CLAVE LIGERO ES EL EQUIVALENTE ALEL COMPONENTE CLAVE LIGERO ES EL EQUIVALENTE ALCOMPONENTE MS VOLATIL

EL COMPONENTE CLAVE PESADO ES EL EQUIVALENTE ALCOMPONENTE MENOS VOLATIL

MTODO PSEUDOBINARIO O MTODO DE HENGSTEBECK

F

Z

D

xD

HD

QC

L0X0

ZONA DE RECTIFICACIN O ENRIQUECIMIENTO

ZFHF

B

xB

HB

VByB

QR

ZONA DE AGOTAMIENTO O EMPOBRECIMIENTO

SISTEMAS SEUDO-BINARIOS

SI LA PRESENCIA DE OTROS COMPONENTES NO TIENESIGNIFICATIVO EFECTO SOBRE LA VOLATILIDAD RELATIVA DE LOSCOMPONENTES CLAVES, LOS CLAVES PUEDEN SER TRATADOSCOMO UN PAR SEUDO-BINARIO. LUEGO EL NMERO DE ETAPASPUEDE SER CALCULADO CON EL DIAGRAMA DE MCCABE-THIELE, UPUEDE SER CALCULADO CON EL DIAGRAMA DE MCCABE-THIELE, UOTRO MTODO DESARROLLADO PARA SISTEMAS BINARIOS. ESTASIMPLIFICACIN PUEDE A MENUDO SER HECHA CUANDO LACANTIDAD DE COMPONENTES NO CLAVES ES PEQUEA, O CUANDOLOS COMPONENTES FORMAN UNA SOLUCIN CERCANA A LAIDEAL.

PARA CUALQUIER COMPONENTE i, TOMANDO COMO BASE ELMODELO DE ETAPA DE EQUILIBRIO DADO EN LA SIGUIENTEFIG, LAS COMPOSICIN DE BALANCE DE MATERIALES Y LASRELACIONES DE EQUILIBRIO PUEDEN ESCRIBIRSE ENTRMINOS DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOSCOMPONENTES INDIVIDUALES EN LUGAR DE LA


COMPONENTES INDIVIDUALES EN LUGAR DE LACOMPOSICIN DEL COMPONENTE:

v (n+1),i=li (N)+di

PARA LA SECCIN DE RECTIFICACIN

PARA LA SECCIN DE AGOTAMIENTO

lm ,i = vm+1 ,i + bi

DONDELN ,I = FLUJO MOLAR LIQUIDO DE CUALQUIER COMPONENTE I DESDELA ETAPA N,

VN ,I = FLUJO MOLAR VAPOR DE CUALQUIER COMPONENTE IDESDE LA ETAPA N,

DI = FLUJO MOLAR DE CUALQUIER COMPONENTE I EN ELDESTILADO,

BI = FLUJO MOLAR DE CUALQUIER COMPONENTE I EN LOSFONDOS,KN ,I = VALOR-K PARA EL COMPONENTE I EN LA ETAPA N.

PARA REDUCIR EL SISTEMA DE MLTIPLE COMPONENTES A UNSISTEMA BINARIO EQUIVALENTE ES NECESARIO ESTIMAR LOS FLUJOS DELOS COMPONENTES CLAVES A TRAVS DE LA COLUMNA. HENGSTEBECKHIZO USO DEL HECHO QUE EN UNA DESTILACIN TPICA EL FLUJO DE CADAUNO DE LOS COMPONENTES LIGEROS NO CLAVES SE APROXIMAN A SERCONSTANTES EN LA SECCIN DE RECTIFICACIN; Y LOS FLUJOS DE CADAUNO SE LOS COMPONENTES PESADOS NO CLAVES SE APROXIMAN A SERUNO SE LOS COMPONENTES PESADOS NO CLAVES SE APROXIMAN A SERCONSTANTES EN LA SECCIN DE AGOTAMIENTO. COLOCANDO LOS FLUJOSDE LOS COMPONENTES NO CLAVES IGUALES AL FLUJO LMITE DE CADA UNOEN CADA SECCIN, PERMITE ESTIMAR LOS FLUJOS COMBINADOS DE LOSCOMPONENTES CLAVES.

SECCIN DE RECTIFICACIN

Le = L - li

Ve = V- viSECCIN DE AGOTAMIENTOLe = L li

Ve = V- vi

Donde:

Ve y Le son los flujos combinados, estimados delos clavesl y v son los flujos limitantes en el liquido y en elli y vi son los flujos limitantes en el liquido y en elvapor de los componentes ms ligeros que losclaves en la seccin de rectificacinli y vi son los flujos limitantes en el lquido y enel vapor de los componentes ms pesados que losclaves en la seccin de agotamiento.

Flujos de los claves combinados equivalentes

Seccin de rectificacin

Moles de los componentes clave ligero y pesado que descienden:L/D=RLe = L - li =R*D- liV=L+DV = V - v = (L+D) - v = R*D+D- viVe = V - vi= (L+D) - vi= R*D+D- vi

Seccin de agotamiento V=V+F(1-q), Si q=1V=VMoles de los componentes clave ligero y pesado que ascienden:Moles de los componentes clave ligero y pesado que ascienden:L`=V`+BV=V`L+D=R*D+D=D*(R+1)Le = L li=(V`+B)- li=(R+1)*D +B- liVe = V-vi=(R+1)*D - vi

EL MTODO USADO PARA ESTIMAR LOS FLUJOS LMITES ES DADOPOR LAS ECUACIONES

dilivi +=1i

dili

=

bii'vi'l +=i

bi*ii'vLCK

=

Donde:i = volatilidad relativa del componente i, con relacin al clave pesado(CHK)

CLK = volatilidad relativa del clave ligero (CLK) con relacin al clavepesado.

LA ESTIMACIN DE LOS FLUJOS DE LOS COMPONENTES CLAVESCOMBINADOS. POSIBILITAN DIBUJAR LAS LNEAS DE BALANCE DEMATERIALES PARA EL SISTEMA BINARIO EQUIVALENTE. LA LNEADE EQUILIBRIO SE DIBUJA ASUMIENDO VOLATILIDAD RELATIVAPROMEDIO PARA EL CLAVE LIGERO CONSTANTE.

=

xi)1(1 CLKXi*CLKyi+

=

Dondey y x se refieren a las concentraciones de los componentesclaves en el vapor y el liquido

Lnea de rectificacin

De=Ve-Le

Balance en el componente claveligero:y = (Le/Ve)x + (De/Ve)Xd(CLK)Lnea de Agotamiento.

Be=L-V

y= (Le/Ve)x (Be/Ve)xB (CLK)

FZ

D

xD

HD

QC

L0X0

ZONA DE RECTIFICACIN O ENRIQUECIMIENTO

ZFHF

B

xB

HB

VByB

QR

ZONA DE AGOTAMIENTO O EMPOBRECIMIENTO

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