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Destilación multicomponente

Grados de libertad columna destilación C + 6 a P cte, flujo molar cte y sin pérdidas de calor. Binario : 3 F, z 1 , h F 2 D, x D1 , W, x W1 o N T 1 L/V o L/D 1 plato de alimentación 1 T condens (líq sat.). Ternario Binario + z 2. x D2 ???? x W2 ??? Balance de materia a componente 2.

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Destilación multicomponente

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Presentation Transcript

  1. Grados de libertad columna destilación C + 6 a P cte, flujo molar cte y sin pérdidas de calor Binario: 3 F, z1, hF 2 D, xD1, W, xW1 o NT 1 L/V o L/D 1 plato de alimentación 1 Tcondens (líq sat.) Ternario Binario + z2 xD2???? xW2??? Balance de materia a componente 2 Destilación multicomponente Destilación multicomponente: Imposible resolver los balances globales de materia y energía de la torre al inicio del problema

  2. Destilación multicomponente: Imposible resolver los balances globales de materia y energía de la torre al inicio del problema Destilación multicomponente: Precisa resolución etapa a etapa de la torre. Inicialmente no conocemos ni destilado ni colas: • ENSAYO Y ERROR • Suponer una composición extrema • Resolver plato a plato • Comprobar balances globales de la torre Destilación multicomponente

  3. COMPONENTES CLAVE: Se especifica su composición en destilado o colas CLAVE LIGERO (LK): especificación de destilado CLAVE PESADO (HK): especificación de colas NO CLAVE LIGERO (LNK): componentes más volátiles que LK NO CLAVE PESADO (HNK): componentes más pesados que HK COMPONENTES “SANDWICH”: volatilidad intermedia LK y HK SUPOSICIÓN INICIAL No hay NO claves pesados en cabezas, sólo en colas (xHNK)D= 0 No hay NO claves ligeros en colas, sólo en cabezas (xLNK)W= 0 Destilación multicomponente Realizar balance global a la torre con esta suposición Comenzar a resolver por un extremo en que todos x ≠ 0 Por cabezas tengo LNK Por colas tengo HNK

  4. EJEMPLO DE RESOLUCIÓN F · zA = D · xAD xAW = 0 A: NO CLAVE LIGERO (LNK) B: CLAVE LIGERO (LK) C: CLAVE PESADO (HK) xBD xCW • Realizar balance global a la torre con esta suposición: obtengo xCD y xBW • Comenzar a resolver por un extremo en que todos x ≠ 0: Por cabezas • yi,1 = xi,D i = A, B, C Destilación multicomponente • xi,1 = equilibrio yi,1 equilibrio: volatilidad relativa constante ó • t rocío (t burbuja si empezamos por colas) • yi,2 = Loperación (xi,1) para cada componente • …. Equilibrio-operación-equilibrio-operación…

  5. xAW = 0 F · zA = D · xAD A: NO CLAVE LIGERO (LNK) B: CLAVE LIGERO (LK) C: CLAVE PESADO (HK) xBD XCW • …. Equilibrio-operación-equilibrio-operación… • F se introduce en una etapa con composición próxima, pero ensayo y error • L’ = L + F·F V= V’ + (1-F)·F. Para pasar a Loperación inferior en un plato n: Destilación multicomponente • Equilibrio/operación…..con línea de operación inferior

  6. Destilación multicomponente Simulación para destilación de benceno-tolueno-cumeno. Se desea recuperar 99% de benceno. La alimentación tiene 0.233 f. molar de benceno, 0.333 f. molar de tolueno y 0.434 f. molar de cumeno y es líquido saturado. Etapa de alimentación, la 10 por encima del ebullidor. Hay 19 etapas de equilibrio y un ebullidor parcial, abenceno = 2.25, atolueno = 1, acumeno = 0.21

  7. Destilación multicomponente Simulación para destilación de benceno-tolueno-cumeno. Se desea recuperar 99% de benceno. La alimentación tiene 0.233 f. molar de benceno, 0.333 f. molar de tolueno y 0.434 f. molar de cumeno y es líquido saturado. Etapa de alimentación, la 10 por encima del ebullidor. Hay 19 etapas de equilibrio y un ebullidor parcial, abenceno = 2.25, atolueno = 1, acumeno = 0.21

  8. Destilación multicomponente Simulación para destilación de benceno-tolueno-cumeno. Se desea recuperar 99% de benceno. La alimentación tiene 0.233 f. molar de benceno, 0.333 f. molar de tolueno y 0.434 f. molar de cumeno y es líquido saturado. Etapa de alimentación, la 10 por encima del ebullidor. Hay 19 etapas de equilibrio y un ebullidor parcial, abenceno = 2.25, atolueno = 1, acumeno = 0.21

  9. Destilación multicomponente Simulación para destilación de benceno-tolueno-cumeno. Se desea recuperar 99% de TOLUENO . La alimentación tiene 0.233 f. molar de benceno, 0.333 f. molar de tolueno y 0.434 f. molar de cumeno y es líquido saturado. Etapa de alimentación, la 10 por encima del ebullidor. Hay 19 etapas de equilibrio y un ebullidor parcial, abenceno = 2.25, atolueno = 1, acumeno = 0.21

  10. Aparecen máximos en claves debidos a los no claves correspondientes • Los no claves no se distribuyen • Los no claves pasan por zonas de composición ≈ cte cerca de F • Aparecen discontinuidades en las concentraciones en plato de F Destilación multicomponente Simulación para destilación de benceno-tolueno-xileno-cumeno. Se desea recuperar 99% de TOLUENO . La alimentación tiene 0.125 f. molar de benceno, 0.225 f. molar de tolueno y 0.375 f. molar de xileno y 0.275 de cumeno y es líquido saturado. abenceno = 2.25, atolueno = 1, axileno = 0.33, acumeno = 0.21

  11. ECUACIÓN DE FENSKE Método exacto de cálculo de Nmin (L/V=1), F = D = W = 0 Aplicable a binario y multicomponente (equilibrio: a) Para dos componentes cualquiera A, B: En calderín, equilibrio entre colas y vapor que asciende qC D xA,D, xB,D xC,D Balance de materia al calderín Destilación multicomponente F = D = W = 0, L/V = L’/V’ = 1 xA,N = yA,W xB,N = xB,W yA,N, yB,N, yC,N yA,W, yB,W, yC,W N xA,N, xB,N, xC,N W xAW, xBW, xCW En la etapa N, nuevo equilibrio-operación xA,N-1 = yA,N xB,N-1 = yB,N

  12. ECUACIÓN DE FENSKE F = D = W = 0, L/V = L’/V’ = 1 Nmínimo qC xA,N-1 = yAN xB,N-1 = yBN D xAD, xBD xACD SEGUIMOS PLATO A PLATO Destilación multicomponente xAN-1, xBN-1,, xCN-1 yAN, yBN, yCN yAW, yBW, yCW N xAN, xBN, xCN W xAW, xBW, xCW aA,B: media geométrica de volatilidades, Nmínimo: con ebullidor

  13. ECUACIÓN DE UNDERWOOD: L/Vmin Desarrollo completo en King L/Vmin: cálculo analítico si el pinch (op. = equil.) está en plato alimentación MULTICOMPONENTE: Aparecen varios pinch si hay no claves no distribuidos Con HNK: L/Vmin (pinch) en enriquecimiento Con LNK: L/Vmin (pinch) en agotamiento Operación Vmin·yi,j+1 = Lmin·xi,j +D·xi,D D xiD Equilibrio yi,j+1 = Ki,j+1·xi,j+1 j Pinch, composiciones constantes:xi,j-1 = xi,j = xi,j+1 yi,j-1 = yi,j = yi,j+1 j+1 F zi Combinando términos: Destilación multicomponente Con ai = Ki/KHK W xiWW

  14. ECUACIÓN DE UNDERWOOD: L/Vmin Desarrollo completo en King Enriquecimiento: Ecuación polinómica en f, c raíces Agotamiento: Ecuación polinómica en f’, c raíces Con flujo molar y a cte Destilación multicomponente 1.- Conocida F y su entalpía, calculo DVFeed 2.- Calculo f PROBLEMA 3.- Calculo Vmin 4.- Calculo Lmin = Vmin-D

  15. ECUACIÓN DE UNDERWOOD: L/Vmin Desarrollo completo en King Cálculo de f • CASO 1 : Todos NO CLAVES NO DISTRIBUIDOS • Resuelvo ecuación de f: aHK < f < aLK • Calculo D: D·xHNK,D = 0, D·xLNK,D = F·zLNK, D·xLK,D = (FRLK),D·F·zLK, D·xHK,D = (1-(FRHK)W)·F·zHK • Obtengo Vmin y Lmin Destilación multicomponente • CASO 2 : Distribución de NO CLAVES con L/Vmin idéntica a FENSKE L/V=1 • Resuelvo ecuación de f: aHK < f < aLK • Calculo D, D·xNK,D con Fenske D·xLK,D = (FRLK),D·F·zLK, D·xHK,D = (1-(FRHK)W)·F·zHK • Obtengo Vmin y Lmin 1) FR de los claves A y B especificada Calculamos N min Determinamos FR de los no claves

  16. ECUACIÓN DE UNDERWOOD: L/Vmin Desarrollo completo en King Cálculo de f • CASO 3 : SIN SUPOSICIONES, SOLUCIÓN EXACTA • Resuelvo ecuación de f: Polinómica de c raíces Se obtienen c-1 soluciones válidas con f comprendidos entre los a de todos los componentes aLNK1 < f1< aLNK2 < f2< aLK < f3< aHK < f4< aHNK1 < f5< aHNK2 • Planteo ecuación c-1 veces (para cada f) y obtengo c-1 ecuaciones con c-1 incógnitas. Calculo Vmin y D·xi,D de los NO claves Destilación multicomponente • Calculo D: • Calculo Lmin

  17. CORRELACIÓN DE GILLILAND Estimación de Nteóricos a reflujo finito Destilación multicomponente • Cálculo de Nmin con Fenske • Cálculo de (L/D)min con Underwood • Elección de L/D. Habitual: 1.05·(L/D)min < L/D <1.5·(L/D)min • Cálculo de abscisa y lectura de ordenada Errores hasta ±30%, a menudo ± 7% • Cálculo de N etapas teóricas

  18. LOCALIZACIÓN ÓPTIMA PLATO ALIMENTACIÓN • Estimación etapa de alimentación a reflujo total. • Para CLAVES, cálculo con Fenske de nº de etapas desde alimentación hasta destilado • Estimación de la etapa real de alimentación con Gilliland Destilación multicomponente

  19. ABSORCIÓN MULTICOMPONENTE • RESOLUCIÓN GRÁFICA: Mc Cabe-Thiele • .RESOLUCIÓN ANALÍTICA: Kremser • REQUISITOS HABITUALES: • Isotérmico • Isobárico • DHabsorción →0 • Velocidad de flujo constante REQUISITO ADICIONAL: Equilibrios independientes para cada soluto: Disoluciones diluidas En disoluciones diluídas el multicomponente se resuelve como varios problemas de absorción de un único componente independientes Normalmente conocemos P,T, las especificaciones de ambas corrientes de entrada (G + L) y la especificación de un componente (1) a la salida Absorción multicomponente • Resolución Nteórico Mc Cabe o Kremser para componente especificado: (1) • Resolución tanteada para el resto de componentes (2,3,4….) • Planteo equilibrio de cada componente, ej: y2 = f(x2) • Propongo un supuesto valor de y2out en la corriente gaseosa de salida • Con el valor supuesto de y2out, calculo línea de operación y Nteórico necesarios • Compruebo el Nteorico obtenido con el calculado con componente especificado (1)

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