Tema 7 Rectificación
TEMA 7.
OPERACIONES BÁSICAS DE
TRANSFERENCIA DE MATERIA:
RECTIFICACIÓN
INDICE
1. INTRODUCCIÓN.
2. TIPOS DE DESTILACIÓN.
3. RECTIFICACIÓN.
3.1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
3.2. DISEÑO DE COLUMNAS DE PLATOS
4. PROBLEMAS PROPUESTOS.
Tema 7 Rectificación
La destilación es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla. Para
llevar a cabo la operación se aprovecha la diferencia de volatilidad de los constituyentes de la mezcla, separando o fraccionando éstos en función de su temperatura de ebullición. Se usa para concentrar mezclas alcohólicas y separar aceites esenciales así como componentes de mezclas líquidas que se deseen purificar
INTRODUCCIÓN
TIPOS DE DESTILACIÓN
Tema 7 Rectificación
TIPOS DE DESTILACIÓN
Tema 7 Rectificación
TIPOS DE DESTILACIÓN
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
Esquema de una columna de platos sencilla
Alimento
Acumulador
Condensador Destilado
Residuo
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Caldera
Platos
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
Esquema de una columna de platos
TIPOS DE PLATOS
Tema 7 Rectificación
NOMENCLATURA
Plato n
Plato n+1
Plato n-1
Vn, Yn
Vn-1, Yn-1
Vn+1, Yn+1
Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1
Ln, Xn
Ln-1, Xn-1
Ln-2, Xn-2
Tema 7 Rectificación
TA
TB
Concentración
0% A 100% AXn Yn
100% B 0% B
Tem
per
atu
ra
Xn-1 Yn+1
Tema 7 Rectificación
Representación de las corrientes que entran y abandonan el plato n en el diagrama de equilibrio T-X-Y
Vn, Yn
Vn-1, Yn-1
Vn+1, Yn+1
Vn+2, Yn+2 Ln+1, Xn+1
Ln, Xn
Ln-1, Xn-1
Ln-2, Xn-2
Plato n
A, XA
D, XD
R, XR
Sec
tor
de
enri
quec
imie
nto
Sec
tor
de
agot
amie
nto
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Tema 7 Rectificación
Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia
Tema 7 Rectificación
RDA
RDA RXDXAX
RD
RA
XX
XXAD
RD
AD
XX
XXAR
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Total
Componentevolátil
Balance global
Tema 7 Rectificación
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Total
Componentevolátil
DLV nn 1
Dnnnn DXXLYV 11
DL
DX
DL
XL
V
DX
V
XLY
n
D
n
nn
n
D
n
nnn
11
1
Balance sector enriquecimiento
Línea operativa sector enriquecimiento
L.O.S.E.
DestilaciónTema 7 Rectificación
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
A, XA
D, XD
R, XR
Sect
or d
e en
riqu
ecim
ient
o
Sect
or d
e ag
otam
ient
o
Ln, Xn
Vn+1 Yn+1
Lm Xm Vm+1 Ym+1
Superficie I
Superficie II
Total
Componentevolátil
Balance sector agotamiento
Línea operativa sector agotamiento
L.O.S.A.
RLV mm 1
Rmmmm RXXLYV 11
RL
RX
RL
XL
V
RX
V
XLY
m
R
m
mm
m
R
m
mmm
11
1
Tema 7 Rectificación
Sector enriquecimiento:
Hipótesis Mc Cabe
Lcte...LL nn 1 Vcte...VV nn 1
Lcte...LL mm 1Vcte...VV mm 1
Sector agotamiento:
Tema 7 Rectificación
L.O.S.E. en función de la razón de reflujo
D
LRD
111
D
D
D
DDn R
X
R
R
DL
DXX
DL
LY
Razón de reflujo
V L
LV
F
(1-f) F
f F
Tema 7 Rectificación
- Si f =0, el alimento será líquido a su temperatura de ebullición
- Si f =1, el alimento será vapor a su temperatura de condensación
- Si 0< f <1, el alimento será una mezcla líquido vapor.
Alimentación
F)f(LL 1
fFVV
Tema 7 Rectificación
Línea de alimentación
lxvyFX F
fyx)f(yF
vx
F
lX
F
FF 1
f
Xx
f
)f(y F
1
Destilación súbitaF, XF
v, y
l, x
Tema 7 Rectificación
Líneas de operación
f
Xx
f
)f(y F
1
111
D
D
D
Dn R
X
R
RY
RL
RX
RL
XLY
m
R
m
mmm
1
En la diagonal Y=X, se cumple:
X=XD
X=XF
X=XR
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
a) Se dibuja la curva de equilibrio Y-X
b) Se sitúan los puntos XD, XF y XR sobre el diagrama.
c) Se dibujan los puntos X=XD, X=XR y X=XF,, que como sabemos pertenecen a las
líneas L.O.S.E., L.O.S.A. y L.A. respectivamente.
d) Se traza la L.A. una vez conocido f
e) Se traza L.O.S.E. una vez conocido RD
f) Se traza L.O.S.A. desde X=XR hasta el punto de corte de L.A. y L.O.S.E. (se
puede demostrar que las tres líneas tienen un lugar geométrico común).
g) Se construyen los escalones como se indica en la figura 7.10. Los escalones se apoyan en la L.O.S.E en el sector de enriquecimiento y en la L.O.S.A. en el de agotamiento. Se empieza en XD y se termina en XR. Cada escalón se corresponde con
una etapa ideal de equilibrio. Si el último escalón no es completo se calcula la parte proporcional de escalón que le corresponde.
h) Se localiza el plato de alimentación como aquel escalón que cruza con la L.A.
i) Se cuentan los escalones, identificándolos con platos ideales. Uno de ellos será siempre la caldera.
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
L.A.
L.O.S.E.
L.O.S.A.
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XA XDXR
1
2
3
4
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
Tema 7 Rectificación
Procedimiento de cálculo (Método gráfico de Mc Cabe
j) Se calcula el número de platos reales, conocida la eficacia de plato (que varía entre 0 y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba. Así:
k) se calculan las necesidades energéticas de la columna, conocidos los calores latentes de cambio de estado, :
reales.platos.número
ideales.platos.númeroplato.eficacia
Vm vssaturado.vapor
V)TT(Cm entradasalidapAFfría.agua
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Tema 7 Rectificación
Condiciones límites de operación
Aumento de la razón de reflujo
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Tema 7 Rectificación
Condiciones límites de operación
Disminución de la razón de reflujo
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Tema 7 Rectificación
Condiciones límites de operación
Reflujo Total
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Tema 7 Rectificación
Condiciones límites de operación
Reflujo mínimo
Tema 7 Rectificación
Condiciones límites de operación
RDopt = 1,2-2 RD min
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número infinito de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
Fracción molar en el líquido, x
Fra
cció
n m
olar
en
el v
apor
, y
XDXR
Número mínimo de pisos
a) Aumento RDb) Disminución RD
c) Reflujo total d) Reflujo mínimo
Se desea diseñar una columna de rectificación para separar 10.000kg/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno, con el fin de obtener un producto de cabeza (destilado) con 97% de benceno y un producto de cola (residuo) con 98% de tolueno. Todos estos porcentajes están en peso. Se utilizará una relación de reflujo externa de 3,5. El calor latente de vaporización, tanto del benceno como del tolueno, puede tomarse igual a 7675 cal/mol. El calor latente del vapor de agua saturado es de 533,6 cal/g.
a) Calcular los caudales de destilado y residuo producidos.
b) Determinar el número de platos ideales y la situación del plato de alimentación en los siguientes casos:
i) la alimentación entra como líquido a su temperatura de ebullición
ii) la alimentación consiste en una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de líquido.
c) Calcular el caudal másico de vapor de agua que se necesita en cada caso para la calefacción, despreciando pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado.
d) Si el agua de refrigeración llega al condensador a 25ºC y sale a 65ºC, calcular el consumo de agua en litros por minuto.
Datos de equilibrio del sistema Benceno-Tolueno a 760 mmHg
X 0 0,0169
0,1297
0,2579
0,4113
0,5810
0,7801
1
Y 0 0,0389
0,2613
0,4561
0,6320
0,7767
0,9002
1
PROBLEMA 4.1
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
44020
9260
7840
7840
,X F
97440
923
7897
7897
,X D
02350
9298
782
782
,X B
h/kmol ...
F 511692
60
78
4010000
Tema 7 Rectificación
Calculo de caudales de destilado y residuo
BDF
BDF BXDXFX
kmol/h 05.51D
kmol/h45.65B
)0235.0()9744.0(
)4402.0)(5,116(
BD
hkmolBD / 5,116
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
pendiente de rectaf
xx
f
fy F1
Línea de alimentación (f=0)
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
216507778054
97440
54
53
11.x.
.
.x
.
.
R
xx
R
Ry
D
D
D
D
Línea operativa del sector de enriquecimiento LOSE
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
LOSE (y= 0.7778x+0.2165)
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Línea alimentación (f=0)
LOSE (y= 0.7778x+0.2165)
LOSA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Tema 7 Rectificación
Sector enriquecimiento 1
23
4
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Tema 7 Rectificación
Sector enriquecimiento 1
23
4
5
Sector Agotamiento
6
7
8
9
10
1112
Tema 7 Rectificación
Cálculo de caudales
kmol/h .VV f 7252290
kmol/h ...DLV 7252290551675178
kmol/h 178.675L .
L.
D
LRD
055153
Tema 7 Rectificación
Caudal másico de vapor de agua en la caldera
Vm vsvs
kg/h .).(
))(.(Vm
vsvs 83293
6533
767572229
Tema 7 Rectificación
Consumo de agua de refrigeración
kcal/h ))(.(V)TT(mC esp 1763101767572229
l/min 734.6 kg/h .))((
m
54407725651
1763101
13.75 platos (alimentación 7º).
Solución para f=2/3
Tema 7 Rectificación
kmol/h .V 05152
kmol/h .V 725229
kg/h mvs 2187
l/min 734.6 kg/h .m 544077
Calcular la razón de reflujo mínima y el número mínimo de platos para cada uno de los casos de alimentación del problema anterior.
PROBLEMA 4.2
Tema 7 Rectificación
Tema 7 Rectificación
Número mínimo de platos
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
f= 0
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
0.39= XD/(RDmin +1) Rdmin =1.50
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
f= 2/3
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
Tema 7 Rectificación
Razón de Reflujo mínima
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
Y
XFXR XD
0.30= XD/(RDmin +1) Rdmin =2.25
Se desea rectificar una mezcla ideal de dos componentes A y B, siendo el valor de la presión de vapor del componente más volátil (A) tres veces mayor que la del otro componente (B) a la misma temperatura. El alimento, con un caudal de 5 kmol/h, entra en la columna mitad vapor y mitad líquido, con un 40% en moles del componente A. El destilado debe tener una concentración molar de A del 95% y el residuo del 4% en el mismo componente.
Si en el condensador de cabeza de columna se eliminan 82000 kcal/h,. Calcular:
a) Caudal de destilado obtenido
b) Ecuaciones de las dos rectas de operación
c) Número de pisos teóricos de la columna
d) Piso teórico en que debe introducirse el alimento
e) Número de pisos reales si la eficacia de plato es de 0,8
Datos: El calor latente de vaporización de cualquier mezcla de ambos componentes vale =10000 kcal/kmol, independientemente de la temperatura.
PROBLEMA 4.3
Tema 7 Rectificación
a) Caudales de destilado y residuo
Tema 7 Rectificación
h/kmol BDF 5
BDF BXDXFX
).(B).(D).)(( 040950405
kmol/h .D 981
kmol/h .B 023
b) Condensador
Tema 7 Rectificación
hkcalV / 82000
kmol/h ...DVLDLV 226981208
143981
226.
.
.
D
LRD
23.076.014.4
95.0
14.4
14.3
11
xx
R
xx
R
Ry
D
D
D
D
hkmolVV /20.8 )10000( 82000
c) Calculo del número de platos
Tema 7 Rectificación
50.f
8.05.0
4.0
5.0
5.011
Xx
f
xx
f
fy F
Tema 7 Rectificación
Datos de equilibrio
)x()y(x
y
BB
AA
AB
xy
xy
11
P
xPy
P
xPy BB
BAA
A
00
;
3/
/0
0
0
0
B
A
B
A
B
B
A
A
AB P
P
PP
PP
xy
xy
Tema 7 Rectificación
Datos de equilibrio
x
xy
)x()y(x
y
AB 21
33
11
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1y 0 0,429 0,667 0,818 0,923 1
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
8.0 Xy
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
23.076.0 xy
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Tema 7 Rectificación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
9 pisos; alimentación = 5º
Tema 7 Rectificación
1080
8
,eficacia
teóricos pisos nºreales pisosºn