Destilaciónn multicomponente

7/23/2019 Destilacinn multicomponente

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UNI-FIQT

PI 525/A. CICLO 2015-2

DESTILACINMULTICOMPONENTE

Ing. Rafael J. Chero Rivas

Lima, 10 de octubre 2015

Lima-Per


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10/10/2015 Ing. Rafael J. Chero Rivas 210/10/2015 2

Equilibrio. Coeficiente de Distribucin

El coeficiente de distribucin K de un componente de

una mezcla se define por:

AAA/ xyK

KA es tpicamente funcin de latemperatura, presin.

P)K(T,KA


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Coeficientes de Distribucin (K) deHidrocarburos a P = 1 atm

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Nomograma de DePriester

Una conveniente fuente de valores del Coeficiente

de Distribucin, K para hidrocarburos, como

funcin de la temperatura y la presin, es elnomograma de DePriester, el cual se muestra a

continuacin:


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No

mograma

deDePries

ter

Se muestra el diagrama deDePriester, indicando elvalor del coeficiente de

distribucin (K) para elEtileno (crculo rojo), a lapresin de 3000 kPa y a laTemperatura de -10 C:K = 1,0El hecho que K = 1,0significa que la

Temperatura de ebullicindel Etileno a 3000 kPa esde -10 C.



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7/35Ing. Rafael J. Chero Rivas


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Ej. Uso del nomograma deDePriester

Cul es el valor de la constante de distribucin deequilibrio K, para cada componente de una mezcla

conteniendo:

Etileno

n-Pentano

n-Heptano

a T = 120 oC y P = 1500 kPa?


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RESPUESTA

Los coeficientes de distribucin deequilibrio (K), a la T = 120 oC y P = 1500kPa, son:

K

Etileno 8,5

n-Pentano 0,64

n-Heptano 0,17


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Las volatilidades relativas () se especifican con respecto al

clave pesado:

Volatilidad Relativa

ij= Ki/Kj; donde j: Clave pesado.Ejemplo:

Compuesto K

Etileno 8,5

n-Pentano 0,64n-Heptano 0,17

Si el n-pentano fuera el clave pesado (HK):

Volat relat Etileno= 8,5/0,64 = 13,3Volat relat n-pentano= 0,64/0,64 = 1,0

Volat relat n heptano= 0,17/0,64 = 0,266


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Clculo de la Temperatura de burbujaSe calcula mediante:

yi = Sum (Ki*xi) = 1,000 (Ec. 1)El clculo se hace de la siguiente

manera:

- Asumir T.Del nomograma de DePriester, leer K a

la Presin a la cual se desea hacer elclculo (tope, fondo) y a la temperatura

asumida.


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- Aplicar la Ec. 1La temperatura de burbuja ser

igual a la temperatura asumidacuando se cumpla la Ec. 1.


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Clculo de la temperatura de roco

Se calcula con:

xi= Suma (y

i/K

i) = 1,000

El clculo se hace de idntica manera que el

clculo de la temperatura de burbuja.


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Volatilidad relativa media (prom)

Es habitual hacer la aproximacin:

prom=(tope*fondo)1/2

Para calcular topey fondo, es necesario

conocer la T y P del tope y fondo,respectivamente.


16/35Ing. Rafael J. Chero RivasFormasdeDestilarunamezclade4componentes


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Nmero de Columnas necesarias



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HEURS

TI

COS



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Introduccin a la DestilacinMulticomponente

Tiene gran importancia para los IngenierosQumicos el mtodo de clculo del diseopreliminar. El procedimiento es el siguiente:

Se conoce el flujo del alimento y su composicin, yse especifica la calidad y/o la cantidad de losproductos deseados. Se desarrollan entoncesbalances de materia preliminares.

Se debe tener informacin de los datos de equilibrioy las propiedades fsicas de todos los componentesde la mezcla en el intervalo de T, P.


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Mtodo para resolver problemas deDestilacin Multicomponente

1. Elegir los componentes clave y realizar la primeraestimacin de la distribucin de componentes en el

destilado y en los fondos.

Clculos de Diseo


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COMPONENTES CLAVE

Componente clave ligero. (LK) Es el componente

mas ligero especificado en el producto de fondo

Componente clave pesado (HK).Es el componente

menos voltil especificado en el destilado

Normalmente la separacin es requerida entre un

par especfico de componentes y stos son los claves

ligero y pesado. No es necesario que los

componentes clave sean adyacentes. Cuandoexisten componentes entre los componentes clave, a

stos se les denomina componente sandwich.


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2. Calcular la Presin del tope de la torre. Aplicar laecuacin del punto de burbuja (o roco, depende si elcondensador es total o parcial) al destilado.

NOTA. La P vara a lo largo de la columna, debido a lacada de presin. La presin solo puede estimarseaproximadamente.Para estimaciones de la presin de fondo de latorre, asumir que la cada de presin en el condensador esdel orden de 2,5 psi. Adems considerar que la cada depresin por plato es de 0,1 a 0,5 psi por plato.Inicialmente se puede asumir una cada de presinen toda la columna de 5 psi (solamente debido a los

platos).3. Considerando lo anterior, calcular la presin de fondoP fondo = P tope + P cond + P platos


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4. Calcular la temperatura de fondos(aplique el punto de burbuja a losfondos, a la presin calculadaanteriormente).


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Flujograma mostrandolos pasos para aplicarel mtodo Short Cut.



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MTODO SIMPLIFICADO (Short Cut)Ecuaciones a utilizar:

Ecuacin de Fenske: Se calcula el nmeromnimo de platos.

Ecuaciones de Underwood: Se calcula larelacin de Reflujo mnima (dos ecuaciones

a usar).

Ecuacin de Gilliland: Se calcula el nmerode platos tericos.


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- Calcular las volatilidades relativas (tope y fondo)

- Calcular la volatilidad promedio (media geomtrica)- Calcular el nmero mnimo de etapas (aplique la

Ecuacin de Fenske).

- Calcular el valor de

(aplicar la 1 ecuacin deUnderwood).

- Calcular Rmn (aplicar la 2 ecuacin de

Underwood).

- Con R = k Rmn, calcular Np (emplear la correlacinde Gilliland o la correlacin de Eduljee o Molokanov y

coloboradores).


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En la relacin de reflujo mnima, aproximadamente:

xD*D/(zF*F) = [(1)/(LK1)]*[x LKD*D/(z LKF*F)] +

[(LK)/(LK1)]*[x HKD*D/(z HKF*F)]

Si:

1,01< (xD*D)/(zF*F) < - 0,01 el componente no sedistribuye

0,01< (xD*D)/(zF*F) < 0,99 el componente si se distribuye.

Verificacin de los Componentesclave


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Nmero mnimo de platos (Reflujototal)

Ecuacin de Fenske:

Nm + 1 = log [xLKD/(xHK D)(xHK W/(xLKW))]/log LK

donde: xLK, xHK: composiciones del clave ligero y delclave pesado.

D, W: flujos molares de destilado y de residuo,respectivamente.

LK: volatilidad relativa promedio del clave ligero

P ime a Ec acin de Unde ood


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Primera Ecuacin de Underwood:1 q = (* zF/())

zF: Composicin del componente i en la alimentacin.Nota: Existen varios valores de que satisfacen laecuacin. De todos esos valores, solamente algunos setomarn para el clculo. Los valores de que sedeben tomar para el diseo, depende si existe o nocomponentes sandwich. Se deben tomar (x + 1)valores de , donde x es igual al nmero de

componentes sandwich.El valor (o los valores) de obtenidos (segn sea elcaso) se emplearn a continuacin paraelclculo


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delReflujo mnimo (segunda ecuacin deUnderwood).

R mn + 1 = (* xD/())

Donde xD: composicin del componente i en

el destilado


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Clculo del nmero de platos

Existen varios mtodos cortos para determinar elnmero de etapas ideales de una columna dedestilacin multicomponente, pero el msutilizado es la correlacin de Gilliland (Ind. Eng.Chem. 32, 1220, 1940). Este autor reporta en

forma grfica la relacin [(Np-Nmn)/(Np+1)] vs.[(R-Rmn)/(R+1)].

Los datos fueron generados a partir de datos deoperacin de columnas de destilacin ya

existentes, principalmente de hidrocarburos. Bastacon especificar un reflujo de operacin R, parapoder calcular el nmero de etapas Np utilizandolos valores calculados de Rmn y Nmn.


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Correlacin grfica de Gilliland

(Np-Nmn)/(Np+1)

Abcisas y ordenadas tienen los mismos parmetros, en ambos grficos


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La correlacin de Gilliland ha sido ajustada a funciones

matemticas por varios autores. Los ajustes ms conocidos son el

de Eduljee (Hydrocarbon Processing, sept 1975, 120):

Ecuacin desarrollada por Molokanov y Colaboradores:

Y = 1 - [((1 + 54,4 X)(X 1))/((11 + 117,2 X) X^0,5)]

X = (R Rmn)/(R + 1)) Y = (Np Npmn)/(Np + 1))Donde:


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Problema

Una mezcla lquida saturada formada por 60%

de C3H8, 30% de C4H10y 10% de C5H12se va

a separar en un producto destilado que

contenga el 98% del C3H8de la alimentacin.

El producto de fondo debe contener el 95%

del C4H10 que entra en la alimentacin.

Determine la Relacin de Reflujo mnimapara una Presin total de 100 psia.


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Bibliografa

Treybal, Robert; Operaciones deTransferencia de Masa

Schweitzer, Philip A; Handbook of

Separation Techniques for ChemicalEngineers, Section 1.2

Hines A, Maddox R; Transferencia de Masa

Fundamentos y Aplicaciones, cap. 10.

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