UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

Destilación Binaria en Excel

“Método McCabe Thiele”

Índice

1. Destilación:

La destilación es la operación de separación más antigua y la operación unitaria más

ampliamente usada en la industria. La destilación utiliza un principio de separación muy

simple: La diferencia de temperatura de ebullición a una presión dada, o la diferencia en su

presión de vapor a una temperatura dada.

En la destilación se da un contacto íntimo entre la mezcla inicial y una segunda fase

formada para mejorar una transferencia de masa efectiva entre esas dos fases.

Las condiciones termodinámicas son escogidas de tal manera, que el constituyente a ser

separado de la mezcla inicial pasa a la segunda fase. Las fases son subsecuentemente

separadas en dos fases simples con diferentes composiciones. [1]

1.1. Destilación flash:

La destilación instantánea o flash consiste en la vaporización de una fracción definida

del líquido, en una manera tal que el vapor que se forma está en equilibrio con el líquido

residual, separando el vapor del líquido y condensando el vapor. La figura 1.1 muestra

los elementos que conforman una planta de destilación instantánea. La alimentación se

hace circular por medio de la bomba a, a través del calentador b, y se reduce la presión

en la válvula c. Una mezcla íntima de vapor y líquido entra en el separador d, en el que

permanece el tiempo suficiente para permitir que se separen las corrientes de vapor y

líquido. Debido al gran contacto existente entre el líquido y el vapor antes de su

separación, las corrientes que se separan están en equilibrio. El vapor sale a través de la

línea e y el líquido a través de la línea g. [2]

Figura 1.1 Planta de destilación flash o instantánea

Fuente: [2]

1.2. Destilación continua con reflujo:

La destilación flash o instantánea se utiliza esencialmente para la separación de

componentes que tienen temperaturas de ebullición muy diferentes. No es eficaz en la

separación de componentes de volatilidad comparable, los cuales requieren del uso de la

destilación con reflujo. Para la producción en gran escala, es más común la destilación

continua. [2]

2. Equilibrio Líquido - Vapor:

Un sistema en equilibrio, es aquel sistema donde la velocidad a la que las moléculas de agua

abandonan en líquido iguala la de las moléculas de gas que pasan al líquido. [3]

En otras palabras:

Evaporación = Condensación

Presión de vapor del líquido = presión del vapor

2.1. Sistema ideal:

Un sistema ideal es aquel donde el vapor obedece la ley del gas ideal y el líquido obedece la ley de Raoult.

Una mezcla ideal de gases obedece la ley de Dalton:

p i= yi∗P (2.1)

Donde:

Pi: presión parcial del componente i

yi: fracción molar del componente i en la fase vapor.

P: presión total del sistema

Una solución ideal obedece la ley de Raoult, la cual establece que la presión parcial de

un componente en la solución es igual al producto de su fracción molar y la presión de

vapor del componente puro, luego: [4]

pi=xi∗pi° (2.2)

Donde:

pi: presión parcial del componente i

xi: fracción molar del componente i en la fase líquida.

pi°: presión de vapor del componente i a la temperatura del sistema.

2.2. Condiciones de equilibrio:

El equilibrio se produce en sistemas a presión y temperatura constante.

La temperatura debe de ser uniforme e igual a la de los alrededores en sistemas no

adiabáticos.

Estado estacionario y equilibrio son conceptos diferentes.

La presión debe de ser la misma en todos los puntos del sistema.

En caso contrario, se produciría movimiento.

La excepción son los gradientes de presión que compensan fuerzas externas, como

la gravitatoria, que origina un gradiente de presión hidrostática. [3]

2.3. Valores de K y volatilidad relativa:

El valor K es una medida de la tendencia del componente i a vaporizarse.

Si el valor K es alto, el componente tiende a concentrarse en el vapor; si es bajo, tiende

concentrarse en el líquido. Si el valor K es la unidad, el componente se dividirá

igualmente entre el vapor y el líquido

K= yixi

(2.3)

Donde:

yi: Fracción molar del componente i en la fase vapor yi

Xi: Fracción molar del componente i en la fase liquida

El valor K es una función de la temperatura, presión y composición. En el equilibrio, si

se fijan dos de estas tres variables, se fija la tercera. Entonces el valor K puede

considerarse como una función de la presión y composición, o temperatura y

composición (o temperatura y presión).

La volatilidad relativa de componentes i, j se define como:

Α ij=K componente iKcomponente j

(2.4)

Convencionalmente, la volatilidad relativa es definida como la razón de los valores

K del componente más volátil al menos volátil, por lo cual la volatilidad relativa

siempre será mayor o igual a la unidad.

La destilación es una técnica de separar componentes de acuerdo a su volatilidad

relativa, la cual es una medida de la facilidad de separación y está dada por la razón

entre la tendencia a vaporizar de dos componentes. Si la volatilidad relativa es alta, un

componente tiene una tendencia mucho mayor a vaporizar (es más volátil) que el otro, y

será fácil separarlos uno del otro mediante la vaporización de uno (destilación). De otro

lado cuando la tendencia a vaporizar de los componentes es similar, la volatilidad

relativa se acercará a la unidad y será difícil separar los componentes por destilación. Si

la volatilidad relativa es la unidad, cada componente es tan volátil como el otro, y no

pueden separarse por destilación la tendencia a vaporizar de dos componentes. Si la

volatilidad relativa es alta, un componente tiene una tendencia mucho mayor a vaporizar

(es más volátil) que el otro, y será fácil separarlos uno del otro mediante la vaporización

de uno (destilación). De otro lado cuando la tendencia a vaporizar de los componentes

es similar, la volatilidad relativa se acercará a la unidad y será difícil separar los

componentes por destilación. Si la volatilidad relativa es la unidad, cada componente es

tan volátil como el otro, y no pueden separarse por destilación. [4]

Para un sistema binario, reemplazando ec. (2.1), (2.2) en (2.3) y luego en (2.4) resulta:

A12=K 1K 2

=¿

yix1y 2x2

=

p 1 °P

p 2 °P

=p1°p2° (2.5)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

X, fracción molar en el líquido(a)

Y, fr

acció

n m

olar

en

el v

apor

Figura 2.1 Concepto de volatilidad relativa. (a) concentración del componente más volátil en el vapor. (b) efecto de la volatilidad relativa sobre la concentración del en el vapor Fuente: [4]

3. Etapa o plato ideal:

3.1. Criterios de idealidad:

La etapa ideal de destilación es un mecanismo que aplica los siguientes criterios:

a. Opera un en el estado estacionario y tiene un producto líquido y un producto vapor.

b. Todo el vapor y el líquido en la etapa están íntimamente contactados y

perfectamente mezclados.

c. El total de vapor saliendo de la etapa está en equilibrio con el total de líquido

saliendo de la etapa. [4]

3.2. Acción de un plato ideal:

En un plato ideal, por definición, el líquido y el vapor que salen del plato se encuentran

en equilibrio. Considere un solo plato de una columna en una cascada de platos ideales,

tal como el plato n que se representa en la figura 3.1 Suponga que los platos se numeran

en serie desde la parte superior (destilado) hasta la parte inferior (residuo) de la columna

y que el plato que se considera es el número n partiendo desde la parte superior. Por lo

tanto, el plato inmediatamente superior es el plato n - 1 y el inmediatamente inferior es

el plato n + 1. Los subíndices representan en todos los casos el punto de origen de la

magnitud correspondiente.

En el plato n entran dos corrientes de fluido salen otras dos. Una corriente de líquido

Ln-1 mol/h, procedente del plato n – 1 y una corriente de vapor Vn+ I mol/h, procedente

del plato n + 1, se ponen en contacto íntimo. Una corriente de vapor Vn mol/h asciende

hacia el plato n - 1, Yuna corriente de líquido Ln mol/h, desciende hacia el plato n + 1.

Puesto que las corrientes de vapor son la fase V, sus concentraciones se representan por

y. Las corrientes de líquido son la fase L, y sus concentraciones se representan por x.

Por lo tanto, las concentraciones de las corrientes que entran y salen del plato n son las

siguientes [2]:

Figura 3.1 Diagrama de balance de materia para el plato n

Fuente: [2]

Vapor que sale del plato yn

Líquido que sale del plato xn

Vapor que entra en el plato yn+1

Líquido que entra en el plato xn-1

4. Balances de materia y energía:

Para una etapa de destilación simple binaria (figura 4.1) se aplican las siguientes

ecuaciones:

Balance total de materia

Fn + Vn+1 + Ln -1 = Vn + Ln (4.1)

Balance por componente

Fnzn +Vn+1yn+1 + Ln -1xn -1 = Vnyn + Lnxn (4.2)

Balance de energía

ΔHn + FnHf,n + Vn+1Hv,n+1 + Ln -1HL,n -1 = VnHv,n + LnHL,n (4.3)

Relación de equilibrio

yn = Kxn (4.4)

En destilación de múltiple componentes de j componentes, hay j – 1 balances de

componentes y j – 1 ecuaciones que describen las relaciones de equilibrio. [3]

Figura 4.1 Modelo de etapa de fraccionamiento Fuente: [4]

5. Desorción o agotamiento (“Stripping”), Rectificación y Fraccionamiento:

El vapor saliendo de una etapa de destilación es más rico en componentes más volátiles que

la alimentación. El líquido saliendo de la etapa es más rico en componentes menos volátiles

que la alimentación. En razón de mejorar la separación, se usan múltiples etapas.

Las etapas de desorción (Fig. 5.1) concentran al elemento menos volátil en una corriente

liquida. Una corriente de vapor vaporiza (“despoja”) a los componentes más volátiles desde

el líquido. Para generar el reciclo de vapor se suministra calor para vaporizar una porción

del líquido de la etapa del fondo. Este vapor es denominado vapor ascendente.

Las etapas de rectificación (Fig. 5.2) concentran al componente más volátil en una corriente

de vapor. Un reciclo liquido condensa a los componentes menos volátiles a partir del vapor

ascendente. Para generar el reciclo de líquido, se aplica enfriamiento para condensar una

porción de vapor del tope. El reciclo de líquido es denominado reflujo.

Las etapas de desorción y rectificación mostradas en las Figs. 5.1 y 5.2 pueden combinarse

en un proceso de separación simple con reciclo interno (Fig. 5.3). Este proceso es

denominado fraccionamiento.

Figura 5.1 Desorción

Figura 5.2 Rectificación

Figura 5.3 Fraccionamiento

Fuente: [4]

6. Diagrama de McCabe -Thiele: Fundamentos

La rectificación (fraccionada) o destilación por etapas con reflujo se puede considerar desde

un punto de vista simplificado como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de

etapas de vaporización instantánea, de manera que los productos gaseosos y líquidos de

cada etapa fluyen a contracorriente.

El líquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye

hacia arriba, a la etapa superior. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de

vapor Y y una corriente líquida L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio, y de dicha etapa

sale una corriente de vapor y una corriente de líquido en equilibrio. [5]

Fig. 3.6 Balances de materiales. (a) Sección de rectificación; (b) Sección de desorción; (c) Total

Bibliografía y Referencias Bibliográficas

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/rsqp/n4_2004/a06.pdf

McCabe Smith

PDF

Design plant

geankoplis