Tutorial Método de McCabe Thiele

 DESTILACIÓN  DESTILACIÓN POR EL MÉTODO MÉTODO DE McCabe McCabe Thiele Cruz Solano Karen Ivonne  Escalera Mar!nez Eri"a Karina #rana$os #onz%lez &os' #ua$alu(e Oriz )ern%n$ez *icor )u+o ,-*.

INDICE •

1. Introducción a las operaciones unitarias.

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2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.

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3. !eneralidades del de l m"todo de #cCa$e%&'iele. #cCa$e%&'iele.

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(. Deducción de las ecuaciones )ue descri$en las *onas de alimentación, rectifcación  agotamiento. +. esolución del pro$lema asignado. asig nado. -. Conclusión general del m"todo  de la importancia de las operaciones unitarias en la ormación ingenieril.

INDICE •

1. Introducción a las operaciones unitarias.

•

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.

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3. !eneralidades del de l m"todo de #cCa$e%&'iele. #cCa$e%&'iele.

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(. Deducción de las ecuaciones )ue descri$en las *onas de alimentación, rectifcación  agotamiento. +. esolución del pro$lema asignado. asig nado. -. Conclusión general del m"todo  de la importancia de las operaciones unitarias en la ormación ingenieril.

1. Introducción a las operaciones unitarias. •

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Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos. (Geaanoplis, 1!!"# $unque el n%mero 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. (&c'be,1!!1#

1. Introducción a las operaciones unitarias. •

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or e)emplo, la operación unitaria conocida como destilación se usa para purificar o separar alco*ol en la industria de las  bebidas y también para separar los *idrocarburos en la industria del petróleo. (Geanoplis, +-# estilación. /eparación de los componentes de una me0cla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de  presión de vapor. (Geanoplis, 1!!"#

1. Introducción a las operaciones unitarias. 23'4/3/ 567$&478$L4/ 4 82$7/3284 •

8ransferencia de calor. 4n este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro. (Geanoplis, +-# 4)emplos representativos secado, evaporación, destilación y otras. (3ro0co, 1!!"#

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8ransferencia de masa. 4n este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente. 4n la mayor parte de los casos, las dos fases tienen una miscibilidad limitada, de tal manera que en el equilibrio e9isten dos fases que  pueden separarse una de otra. (3ro0co, 1!!"#

4)emplos representativos de este proceso incluye destilación, absorción, e9tracción líquido:líquido, separación por membranas, adsorción y li9iviación. (Geanoplis, 1!!"# •

8ransferencia de momento lineal. e acuerdo a Genoplis, 1!!" se refiere a la que se presenta en los materiales

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.

567$&4783 •

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La operación unitaria de destilación se usa para separar los componentes de una solución líquida, el cual depende de la distribución de estos componentes entre una fase de vapor y una fase líquida. $mbos componentes est;n presentes en las dos fases. La fase de vapor se origina de la fase líquida por vapori0ación en el punto de ebullición. (Geanoplis, 1!!"# 4l requisito b;sico para separar los componentes por destilación consiste en que la composición del vapor sea diferente de la composición del líquido con el cual est; en equilibrio en el punto de ebullición de este %ltimo. (Geanoplis, 1!!"#

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.

/CAIFICACIN/ De acuerdo a la literatura, se presentan cinco tipos de destilación •

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1. Destilación en e)uili$rio o instant4nea 56as'7 2. Destilación simple por lotes o dierencial 3. Condensación parcial. (. Destilación por arrastre de 8apor. +. Destilación con re6u9o 5rectifcación7.

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

1. Destilación en equilibrio o instantánea (flash)

e acuerdo con Geanoplis, 1!!" la destilación flas* consiste en la vapori0ación parcial definida del líquido, tomando una temperatura media de manera que el vapor que se forma est; en equilibrio con el líquido residual, y entonces así se separan las fases de vapor y de líquido. (&c'abe, 1!!1#

5igura 1. estilación en equilibrio o instantanea (flas*#. (Geanoplis, 1!!"#

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

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/e aplica un balance de materia, a todo el sistema y al componente m;s vol;til (basado en un mol de alimentación#. (3con:8o)o# or lo tanto 1: f ser; la fracción de moles de la alimentación que sale de forma continua como líquido, obteniendo lo siguiente< (&c'abe,1!!1#  X  F = fy D + (1-f)x B

 y D y x B  se sustituyen por “x” y “y”:  X  F = fy + x –fx

3bteniendo<

onde<  / -  = concentración de la alimentación.  0 = y D concentración del vapor.  / = x B concentración de !"uido#  = ecuación de la recta pendiente.  = ordenada al origen. x = /  1 e 0 2 0 D $ son as coordenadas y !nea de e"uii%rio

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

$plicación.: La destilación flas* se utili0a a gran escala en el refino del petróleo, donde las fracciones de se calientan en calderas tubulares el fluido caliente se somete a una destilación flas* para obtener un vapor de cabe0a un líquido residual, conteniendo ambas corrientes muc*os componentes. (&c'abe, 1!!1#

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. Destilación simple por lotes o diferencial

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4ste método de destilación es efectuado normalmente en laboratorios cuando se traba)a sin reflu)o, llevando continuamente los vapores  producidos *asta un condensador. (3con:8o)o# rimero se introduce líquido en un recipiente de calentamiento. La carga líquida se *ierve lentamente y los vapores se e9traen con la misma rapide0 con que se forman, envi;ndolos a un condensador donde se recolecta el vapor condensado (destilado#. La  primera porción de vapor condensado es m;s rica en el componente m;s vol;til  A. $ medida que se  procede con la vapori0ación, el producto vapori0ado

5igura +. estilación simple por lotes o diferencial. (Geanoplis, +-#

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. Integrando de L (moles remanentes en el destilador# a L  (moles originales cargados#, /  (composición original líquido# y /  (composición final del líquido#. (3con:8o)o# •

2

1

3

3btenemos la ecuación de 2ayleig*<

.

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

or lo tanto obtenemos, la composición promedio del total de material destilado ( ) :

(Geanoplis, +-7

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. Condensación parcial. •

4s el proceso inverso de la destilación simple, en el que, a partir de una me0cla de vapores, se produce  por enfriamiento un líquido menos rico en componentes m;s vol;tiles que el vapor inicial, quedando el vapor residual enriquecido en los componentes m;s vol;tiles. (3con:8o)o# /e puede llevar a cabo de dos modos< 'ondensación en equilibrio.: el equilibrio producido en la condensación permanece en contacto con el vapor, estando ambos en equilibrio. (3con:8o)o# •

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2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

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'ondensación diferencial.: el líquido condensado se retira continuamente de la presencia de vapor. $ medida que transcurre la operación el vapor se enriquece en los componentes m;s vol;tiles, descendiendo continuamente la temperatura de condensación. (3con:8o)o# 4n una me0cla binaria la relación de vapor inicial (> # y residual (>#, est; dada por la ecuación<

Donde 0 ; composición de 8apor  ; composición de 8apor residual

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

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Destilación por arrastre de apor.

/e usa con frecuencia para separar un componente de alto punto de ebullición de cantidades peque?as de impure0as no vol;tiles. (Geanoplis, 1!!"# uesto que *ay dos fases líquidas, cada una desarrollar; su propia presión de vapor a la temperatura  prevaleciente y no puede ser influida por la presencia de la otra. 'uando la suma de las dos presiones de vapor individuales es igual a la presión total, la me0cla *ierve y

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Donde ; presión de 8apor de agua pura A.  ; presión de 8apor de < puro. (Geanoplis, 1!!"#

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

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or lo tanto la composición del vapor ser;<

 ; A

=  ; <

La relación entre moles de ! destilado y moles de destilado " es<

$plicación.: se emplea algunas veces en la industria alimenticia  para eliminar contaminantes y sabores de grasas y aceites comestibles. (Geanoplis, 1!!"#

2. Fundamento, Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. • •

+. Destilación con reflu#o (rectificación). La rectificación (fraccionada# es un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de etapas de vapori0ación instant;nea, de manera que los productos gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. 4l líquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye *acia arriba, a la etapa superior. (Geanoplis, +-#

2. Fundamento, Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

o o o

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Las partes esenciales de una columna de rectificación son< La columna.: aquí se verifica el contacto íntimo entre el líquido y el vapor. 4l calderín.: situado en la base de la columna donde se *ace *ervir la me0cla al separar. 4l condensador de reflu)o.: situado en la c%spide de la columna y se encarga de suministrar el líquido descendente para su contacto con el vapor. (3con:8o)o# ara lograr el íntimo contacto entre la fase líquida y vapor interesa que la superficie y el tiempo de contacto sean suficientes. (3con:8o)o# ( 3con:8o)o#

2. Fundamento, Fundamento, clasifcación clasifcación  aplicación de las destilaciones. •

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4n la pr;ctica este contacto de logra con dispositivos diferentes< latos de borboteo< retienen el líquido a través del cual se ve obligado a pasar el vapor. (3con:8o)o# 'uerpos de relleno< llenan el interior de la columna verific;ndose el contacto entre fases sobre la superficie de estos cuerpos de relleno.  (3con:8o)o# Figura 3. Flu9o del proceso para una torre raccionadora )ue contiene artesas o platos

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. 1. Generalidades del método McCabe-Thiele

a desarrollado un m"todo matem4tico grafco para determinar el nBmero de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una me*cla $inaria de A  oplis, 200- 7 Consiste en )ue de$e 'a$er un derrame e)uimolar a tra8"s de la torre, entre l entrada de alimentación  el plato superior  la entrada de alimentación  el plato inerior. 5!ean>oplis, 200-7

Figura 4.- Flujos de vapor y líquido que entran y salen de un plato. (Geankoplis, 2006)

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. eali*ando un $alance total de materia, o$tenemos oplis, 200-7

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. De$emos considerar dos secciones en la columna de rectifcación rectifcación situada por encima del plato de alimentación o sección de enri)uecimiento  sección de empo$recimiento o agotamiento. 5con%&o9o7 Figura.% Columna de destilación donde se muestran las secciones de $alance de materia para el m"todo de #cCa$e%&'iele. 5!ean>oplis, 200- 7

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. ección de enriquecimiento

Figura.- alan!e de "ateria y línea de opera!i#n para la se!!i#n de enrique!i"iento$ (a) esque"a de la torre, líneas de opera!i#n y de equili%rio. (Geankoplis,2006 )

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@alance total de materia para la sección de enriquecimiento

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@alance con respecto al componente $

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$l despe)ar , la línea de operación es

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uesto que , y la ecuación se transforma en

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onde

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2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones. ección de empo$recimiento

Figura.- alan!e de y línea de opera!i#n para la se!!i#n de e"po%re!i"iento$(a) esque"a de la torre, (%) líneas de opera!i#n y

2. Fundamento, clasifcación  aplicación de las destilaciones.