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Agosto 2013.DESTILACIN POR EL MTODO DE McCabe Thiele

Cruz Solano Karen IvonneEscalera Martnez Erika KarinaGranados Gonzlez Jos GuadalupeOrtiz Hernndez Victor Hugo7FV1

1INDICE1. Introduccin a las operaciones unitarias.

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

3. Generalidades del mtodo de McCabe-Thiele.

4. Deduccin de las ecuaciones que describen las zonas de alimentacin, rectificacin y agotamiento.

5. Resolucin del problema asignado.

6. Conclusin general del mtodo y de la importancia de las operaciones unitarias en la formacin ingenieril.

1. Introduccin a las operaciones unitarias.Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energa y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios fsicos, pero tambin por medios fisicoqumicos. (Geaankoplis, 1998)

Aunque el nmero de procesos individuales es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en una serie de etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos. (McCbe,1991) 1. Introduccin a las operaciones unitarias.Por ejemplo, la operacin unitaria conocida como destilacin se usa para purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y tambin para separar los hidrocarburos en la industria del petrleo. (Geankoplis, 2006)

Destilacin. Separacin de los componentes de una mezcla lquida por medio de la ebullicin basada en las diferencias de presin de vapor. (Geankoplis, 1998)

1. Introduccin a las operaciones unitarias.*PROCESOS FUNDAMENTALES DE TRANSPORTE*

Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro. (Geankoplis, 2006)

Ejemplos representativos secado, evaporacin, destilacin y otras. (Orozco, 1998)

Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente. En la mayor parte de los casos, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de tal manera que en el equilibrio existen dos fases que pueden separarse una de otra. (Orozco, 1998) Ejemplos representativos de este proceso incluye destilacin, absorcin, extraccin lquido-lquido, separacin por membranas, adsorcin y lixiviacin. (Geankoplis, 1998)

Transferencia de momento lineal. De acuerdo a Genkoplis, 1998 se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, ocurre en los gases y lquidos que fluyen. La operacin unitaria bsica es el flujo de fluidos o mecnica de fluidos. (Orozco, 1998)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

*FUNDAMENTOLa operacin unitaria de destilacin se usa para separar los componentes de una solucin lquida, el cual depende de la distribucin de estos componentes entre una fase de vapor y una fase lquida. Ambos componentes estn presentes en las dos fases. La fase de vapor se origina de la fase lquida por vaporizacin en el punto de ebullicin. (Geankoplis, 1998)

El requisito bsico para separar los componentes por destilacin consiste en que la composicin del vapor sea diferente de la composicin del lquido con el cual est en equilibrio en el punto de ebullicin de este ltimo. (Geankoplis, 1998)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.*CLASIFICACIN*De acuerdo a la literatura, se presentan cinco tipos de destilacin:

1. Destilacin en equilibrio o instantnea (flash)2. Destilacin simple por lotes o diferencial3. Condensacin parcial.4. Destilacin por arrastre de vapor.5. Destilacin con reflujo (rectificacin).

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.1. Destilacin en equilibrio o instantnea (flash)De acuerdo con Geankoplis, 1998 la destilacin flash consiste en la vaporizacin parcial definida del lquido, tomando una temperatura media de manera que el vapor que se forma est en equilibrio con el lquido residual, y entonces as se separan las fases de vapor y de lquido. (McCabe, 1991)

Figura 1. Destilacin en equilibrio o instantanea (flash). (Geankoplis, 1998)2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.Aplicacin.- La destilacin flash se utiliza a gran escala en el refino del petrleo, donde las fracciones de se calientan en calderas tubulares el fluido caliente se somete a una destilacin flash para obtener un vapor de cabeza un lquido residual, conteniendo ambas corrientes muchos componentes. (McCabe, 1991)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.Destilacin simple por lotes o diferencial

Este mtodo de destilacin es efectuado normalmente en laboratorios cuando se trabaja sin reflujo, llevando continuamente los vapores producidos hasta un condensador. (Ocon-Tojo)

Primero se introduce lquido en un recipiente de calentamiento. La carga lquida se hierve lentamente y los vapores se extraen con la misma rapidez con que se forman, envindolos a un condensador donde se recolecta el vapor condensado (destilado). La primera porcin de vapor condensado es ms rica en el componente ms voltil A. A medida que se procede con la vaporizacin, el producto vaporizado es ms pobre en A. (Geankoplis, 2006)

Figura 2. Destilacin simple por lotes o diferencial. (Geankoplis, 2006)2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.Condensacin diferencial.- el lquido condensado se retira continuamente de la presencia de vapor. A medida que transcurre la operacin el vapor se enriquece en los componentes ms voltiles, descendiendo continuamente la temperatura de condensacin. (Ocon-Tojo)En una mezcla binaria la relacin de vapor inicial (V0) y residual (V), est dada por la ecuacin:

Donde:y0 = composicin de vapory = composicin de vapor residual

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

5. Destilacin con reflujo (rectificacin).La rectificacin (fraccionada) es un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de etapas de vaporizacin instantnea, de manera que los productos gaseosos y lquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. El lquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye hacia arriba, a la etapa superior. (Geankoplis, 2006)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.Las partes esenciales de una columna de rectificacin son: La columna.- aqu se verifica el contacto ntimo entre el lquido y el vapor.El caldern.- situado en la base de la columna donde se hace hervir la mezcla al separar.El condensador de reflujo.- situado en la cspide de la columna y se encarga de suministrar el lquido descendente para su contacto con el vapor. (Ocon-Tojo)

Para lograr el ntimo contacto entre la fase lquida y vapor interesa que la superficie y el tiempo de contacto sean suficientes. (Ocon-Tojo)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.En la prctica este contacto de logra con dispositivos diferentes:

Platos de borboteo: retienen el lquido a travs del cual se ve obligado a pasar el vapor. (Ocon-Tojo)

Cuerpos de relleno: llenan el interior de la columna verificndose el contacto entre fases sobre la superficie de estos cuerpos de relleno. (Ocon-Tojo)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

Figura 3. Flujo del proceso para una torre fraccionadora que contiene artesas o platos con casquete de burbujeo. (Geankoplis, 1998)

2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.Generalidades del mtodo McCabe-ThieleHa desarrollado un mtodo matemtico grafico para determinar el nmero de platos o etapas tericas necesarios para la separacin de una mezcla binaria de A y B. (Geankoplis, 2006 )Consiste en que debe haber un derrame equimolar a travs de la torre, entre l entrada de alimentacin y el plato superior y la entrada de alimentacin y el plato inferior. (Geankoplis, 2006)

Figura 4.- Flujos de vapor y lquido que entran y salen de un plato. (Geankoplis, 2006)2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

Figura.- Columna de destilacin donde se muestran las secciones de balance de materia para el mtodo de McCabe-Thiele. (Geankoplis, 2006 )Debemos considerar dos secciones en la columna de rectificacin: rectificacin situada por encima del plato de alimentacin o seccin de enriquecimiento y seccin de empobrecimiento o agotamiento. (Ocon-Tojo)

Seccin de enriquecimientoFigura.- Balance de materia y lnea de operacin para la seccin de enriquecimiento: (a) esquema de la torre, lneas de operacin y de equilibrio. (Geankoplis,2006 )2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

Seccin de empobrecimientoFigura.- Balance de y lnea de operacin para la seccin de empobrecimiento:(a) esquema de la torre, (b) lneas de operacin y equilibrio.(Geankoplis, 1998)2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

Figura.- Localizacin de la lnea para diferentes condiciones de alimentacin: liquido por debajo de su punto de ebullicin (q 1). Lquido a su punto de ebullicin (q I). Liquido vapor (0 vapor saturado (q = 0). 1(geankoplis, )2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

Figura.- Mtodo para escalonar el nmero de platos tericos y localizacin del de alimentacin a) localizacin inapropiada de la alimentacin en el plato 4, b) localizacin apropiada de la alimentacin en el plato 2 para obtener el nmero mnimo de etapas. (3Geankoplis)2. Fundamento, clasificacin y aplicacin de las destilaciones.

SISTEMA INDUSTRIAL BSICO DE DESTILACIN

Aplicaciones industrialesEs generalmente slo aplicable a sistemas en los que los componentes que van a ser separados contienen uno o ms grupos funcionales diferentes.Separacin de estereoismeros, homlogos, o ismeros homlogos o estructurales con mismos puntos funcionales. (Costo elevado).La destilacin extractiva trabaja mediante el aprovechamiento de las mejoras inducidas por el disolvente de la fase lquida en los componentes que van a ser separados, modificando los coeficientes de actividad; esto es logrado a una alta concentracin de disolvente.Coeficiente de actividad es un nmero que expresa el factor de actividad qumica de una sustancia en su concentracin molar.35Caractersticas del disolvente Alta selectividad: el equilibrio vapor-lquido dependiente de la cantidad del disolvente.Baja volatilidad: con el fin de prevenir la evaporacin del disolvente con el producto principal y de mantener una concentracin elevada en la fase lquida.Separabilidad: fcil separacin del disolvente de la mezcla.Costo, toxicidad, carcter corrosivo, estabilidad qumica, punto de congelamiento y viscosidad.La columna de destilacin debe ser una columna de doble alimentacin, con el disolvente alimentado por encima de la alimentacin primaria.Ejemplos de destilacin extractivaSistemaTipoDisolventeReseaEtanol-aguaAzetropo de msmo punto de ebullicinEtilen-glicol, sales de acetato para procesos con salAlternativa a la destilacin azeotrpica, destilacin por variacin de presin.

Benceno-ciclohexanoAzetropo de mnimo punto de ebullicinAnilinaAcetato de vinilo-acetato de etiloPuntos de ebullicin cercanosFenol, aromticosAlternativa de destilacin simple.De una mezcla tetracloruro de carbono / Tolueno de composicin 40% en peso, se han de separar ambos componentes con una pureza del 95% en peso en una columna de rectificacin que funciona en marcha continua. Determnese: El nmero mnimo de platos tericos.La relacin de reflujo mnima si la alimentacin entra en forma lquida a la temperatura de ebullicin.El nmero de platos necesarios para efectuar la separacin indicada si se emplea una relacin de reflujo 35% superior a la mnima, siendo la eficacia media de los platos el 70%. La posicin del plato de alimentacin.La cantidad del producto destilado por kilogramo de alimentacin. Condiciones iniciales: Tomando como base de calculo 10,000 kg/h de alimentacin, la torre funciona a 1 atm de presin.Tomando en consideracin las siguientes hiptesis para aplicar el mtodo de McCabe Thiele.

Antes de realizar los balances de materia debemos construir las curvas de equilibrio vapor-liquido y el diagrama de equilibrio para la mezcla CCl4-C7H8, para lo cual necesitamos conocer las constantes de Antoine para conocer los valores de la presiones de vapor de los componentes en un intervalo de temperatura que se encuentra entre los dos puntos de ebullicin de las sustancias mezcladas. ABCT (C) ebullicin Masa MolecularCCl46.879261212.021226.40976.7153.84C7H86.958051346.773219.693110.6292.13Aplicando la ecuacin de Antoine para cada una de las composiciones propuestas para construir los diagramas de equilibrio y de composicin.

Haciendo uso de solver, podemos corregir la temperaturas para cada fraccin de composicin propuesta ajustndola al valor de la presin de operacin del sistema, obteniendo la siguiente tabla de datos.

De esta tabla de datos construimos los dos diagramas que necesitamos para conocer la temperatura de ebullicin de la mezcla y la temperatura de punto de roco (diagrama de equilibrio vapor-liquido). Y el diagrama de equilibrio de composicin (fraccin mol) del compuesto de clave ligero, para calcular el nmero de estadios tericos y reales.

Suponiendo una alimentacin de 10,000 kg/h a la temperatura de ebullicin en una columna de rectificacin de marcha continua.Sabemos que entra 40% en peso de CCl4 y se requiere de una serpacin con una pureza de 95%.Convertimos todo en fracciones molares de modo que podamos hacer uso de los datos en los diagramas de equilibrio. 2. Balance general para el componente de clave ligero De la ecuacin general sabemos que: F = D + WCalculamos el peso molecular medio de la mezcla:Mm = (0.28539)(153.84) + (0.7147)(92.13) = 109.736 kg/kmol Pasamos la alimentacin a kmol/h: F = (10,000 kg/h)/(109.763kg/kmol) = 91.13 kmol/h Por lo tanto: (0.2853)(91.13 kmol/h) = (0.9192)*D + (0.0305)*W y si W = F-D entonces tenemos

25.999 = 0.9192*D + (0.0305)*(F-D) D = 26.1275 kmol/h W = 65.003 kmol/h

La alimentacin entra a la temperatura de ebullicin entonces de acuerdo con la literatura se procede de la siguiente manera.Tenemos entonces que el valor q = 1 y la fraccin evaporada f = 0, que explican las condiciones de alimentacin (seccin de enriquecimiento).

Aplicacin del mtodo de acuerdo a la condiciones de alimentacin

Relacin de reflujo mnima si la alimentacin entra en forma liquida a temperatura de ebullicin

PROBLEMA DOS5.27 Cierta mezcla equimolar metanol-agua se trata en una columna de rectificacin en marcha continua para obtener un destilado de composicin 0.95 (fraccin molar) y un producto de colas cuya composicin ser menor de 0.05. Determnese:Cantidad de productos de cabeza y cola separados si la alimentacin es de 1000 kg/h.Relacin de reflujo mnima si la alimentacin entra en forma lquida a 20C.Nmero de platos tericos si L/D es 50% superior a su valor mnimo.Consumo horario de vapor de calefaccin si se dispone de vapor saturado a 2.5 atm de presin absoluta.

DIAGRAMA

INCISO a)

INCISO b)

xwXD

INCISO c)

INCISO d)Diagrama en el condensador

REFERENCIASJ. Geankoplis. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias. 3 edicin. Mxico. CECSA.L. McCabe, C. Smith, P. Harriot. (1991). Operaciones unitarias en ingeniera qumica. 4 edicin. Espaa. Mc Graw-Hill.J. Geankoplis. (2006). Procesos de transporte y principios de procesos de separacin. 4 edicin. Mxico. CECSA.Orozco. (1998). Operaciones unitarias. 1 edicin. Mxico. LIMUSAJ. Ocon, G. Tojo. Problemas ingeniera qumica. Tomo I. Aguilar. R. Felder. (2012). Principios elementales de los procesos qumicos. 3ra Ed. Limusa Wiley.A. Gorak & E. Spresen. (2014). Distillation: Fundamentals and Principles. 1ra Ed. U.S.A. ELSEVIER.

DATOS DEL PROBLEMA

Flujo de alimentacin (F)1000 Kg/h

Composicin en la entrada (ZF)0.5

Composicin en destilado (XD)0.95

Composicin en fondos (Xw)0.04

Peso molecular de metal32 kg/kmol

Peso molecular de agua18 Kg/Kmol

Peso molecular promedio

Balance Global para el sistema

Balance general para el metanol

Por el mtodo de suma y resta se obtuvieron los flujos de fondos y destilado.ALIMENTACIN (F)FONDOS (W)DESTILADO (D)

40 kmol/h19.78 kmol/h20.22 kmol/h

DATOS OBTENIDOS DE TABLAS DE PROPIEDADES

Compuesto T de ebullicin (C)Calor de vaporizacin, (KJ/mol)T crtica (K)Calor especfico, Cp ( KJ/KgC)

Metanol64.735.27513.22.55

Agua10040.656647.44.18

Ecuacin de calor

Sustituyendo los valores

por lo tanto es un lquido subenfriadoUsando la ecuacin para lnea de operacin en la zona de alimentacin

La ecuacin queda

Usando la ecuacin de la lnea de operacin y de enriquecimiento

Utilizando de la ecuacin anterior la ordenada en el origen, se despejar el reflujo mnimo

Balance en condensador

Despejando LD

Sabiendo que

Despejando W

Suponiendo que el calor es igual en ambos componentes

Para determinar las entalpias a un presin de 2.5 atm se determinan los valores de tablas en vapor saturado.