burbuja y rocio

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Universidad de Alicante. Dpto. Ingeniera Qumica Ampliacin de Operaciones de Separacin. 1. Mtodos aproximados

TEMA 1. MTODOS APROXIMADOS PARA EL CLCULO DE OPERACIONES DE SEPARACIN DE MEZCLAS MULTICOMPONENTES1. INTRODUCCIN Y PROBLEMA La destilacin es el principal mtodo para la separacin de mezclas, frente al cul deben ser contrastados todos los dems. El predominio de la destilacin sobre otras operaciones unitarias de separacin de mezclas, a pesar de su baja eficiencia termodinmica, obedece a dos razones fundamentales, una de tipo cintico y otra de tipo termodinmico. Desde el punto de vista cintico, se trata de la operacin que permite la mayor velocidad de transferencia de materia, y desde el punto de vista termodinmico, hay que destacar que otras operaciones unitarias presentan una eficiencia todava menor. Por otro lado, muchas de las operaciones de separacin que implican cascadas de etapas de equilibrio se resuelven mediante la aplicacin de los mtodos de simulacin o de diseo desarrollados para la rectificacin. Tradicionalmente, el estudio de la rectificacin se aborda diferenciando entre el caso de las mezclas multicomponentes y las binarias. Esto se justifica, en primer lugar, por el hecho de que los mtodos grficos, que resultan tan tiles en el diseo de procesos de destilacin de mezclas binarias, no pueden aplicarse en el caso de mezclas multicomponentes, donde por tanto es necesario el desarrollo de mtodos algebraicos diferentes. Adems el planteamiento del problema tambin es diferente ya que el nmero de variables que se puede especificar permite que en el caso de las mezclas binarias sea posible llegar a conocer con exactitud cul va a ser la composicin de los productos deseados, mientras que en el caso multicomponente, slo se podr conocer la composicin de los dos componentes clave que se pretende separar. Por tanto no sern directamente aplicables los criterios en que se basan los mtodos clsicos de Ponchon-Savarit o de McCabe-Thiele, que debern ser modificados o sustituidos por otros. Esta es una situacin comn para todos los procesos de separacin en los que el equilibrio entre las fases implicadas no pueda representarse grficamente en un plano (equilibrio lquidovapor en mezclas de ms de 2 componentes, equilibrio lquido-lquido en mezclas de ms de tres componentes y equilibrio lquido-gas donde se reparte ms de un componente), aunque como ya se ha dicho, se suele considerar como referencia el caso lquido-vapor. Aunque se dispone de mtodos rigurosos para la simulacin o el diseo de operaciones de rectificacin multicomponente desde los aos 30, la resolucin de estos problemas se abord primero, de forma aproximada, mediante procedimientos grficos o analticos y hasta que no se dispuso de ordenadores potentes, no se desarrollaron adecuadamente los mtodos rigurosos. En la actualidad no hay ningn tipo de conflicto entre ambos tipos de mtodos, y se combina la velocidad y precisin de los clculos rigurosos realizados por los programas de ordenador para la simulacin de columnas de rectificacin con la

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utilidad analtica y visual de los mtodos grficos, reservndose los mtodos analticos aproximados para las etapas aproximadas del diseo. A la hora de plantearse el diseo o el anlisis de una columna hay que considerar los siguientes aspectos: 1. Caudal, composicin, presin y temperatura del alimento. 2. Grado de separacin deseado entre dos de los componentes. 3. Presin de operacin (que ha de ser inferior a la presin crtica de la mezcla) 4. Prdida de presin del vapor, especialmente para operaciones a vaco. 5. Razn de reflujo mnima y razn de reflujo de operacin. 6. Mnimo nmero de etapas y nmero de etapas reales (eficiencia de la etapa). 7. Tipo de condensador (total, parcial o una combinacin de ambos). 8. Tipo de caldera (total o parcial). 9. Tipo de contacto (columna de pisos, de relleno, o de ambos tipos). 10. Altura de la columna. 11. Piso de entrada del alimento. 12. Dimetro de la columna. 13. Dispositivos internos de la columna. El clculo completo de una columna de destilacin (considerando como tal la resolucin de los once primeros aspectos enunciados previamente) puede dividirse en tres partes: 1. Clculo del diseo preliminar, incluyendo la eleccin del tipo y disposicin del equipo a utilizar, los balances de materia previos y la estimacin de costes del diseo preliminar. A partir de esta estimacin se determinan aproximadamente las condiciones de trabajo ms econmicas, se elige la razn de reflujo de operacin y se estima el tamao de la columna. 2. Clculo detallado de las composiciones de los pisos, con lo que se obtiene la composicin de los productos con mayor exactitud, y se fija la posicin ptima del alimento. Con mezclas complejas, este clculo puede conducir a resultados bastante diferentes de los obtenidos con el diseo preliminar. 3. Anlisis de los resultados, por ejemplo mediante un mtodo grfico. Una vez concluidos los clculos de las tres etapas anteriores, el diseo completo de la columna supone calcular el dimetro de la columna, disear los dispositivos internos de sta y determinar la prdida de presin en la columna. Se debe comprobar entonces si la prdida de presin calculada coincide con el valor fijado para llevar a cabo el clculo detallado de las composiciones de los pisos de la columna. En general se trata de un proceso de clculo iterativo en el que una vez que se ha concluido el diseo de la columna, se debe comprobar:

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a) que todos los valores de parmetros que hayan sido supuestos coinciden con los calculados b) que el diseo final al que se haya llegado permite que la columna opere de manera estable. En la actualidad, los mtodos aproximados se usan para: Diseo preliminar Establecer las condiciones ptimas de operacin Establecer la secuencia ptima de separacin en sntesis de procesos.

El mtodo de clculo del diseo preliminar, que se aborda en este tema, es de gran importancia para los ingenieros qumicos. El procedimiento es el siguiente: 1. Normalmente se conoce la cantidad de alimento y su composicin y se especifica la calidad y/o la cantidad de los productos deseados. Si se desea obtener ms de dos productos con unas especificaciones de separacin elevadas, generalmentei se necesita ms de una columna de destilacin y la mejor disposicin de todo el equipo suele ser la elegida en esta primera etapa de los clculos. Se desarrollan entonces balances de materia preliminares, eligiendo cuidadosamente las concentraciones de los productos de forma que, adems de asegurar la obtencin de la calidad deseada, sea factible para el equipo de destilacin conseguir dicha destilacin. Estos balances de materia son preliminares, de forma que no es fcil saber si la columna diseada podr satisfacerlos ya que es posible que en una fase determinada de los clculos rigurosos piso a piso no puedan alcanzarse las concentraciones especificadas para algunos componentes en los productos. 2. A continuacin se debe hacer una recopilacin de los datos de equilibrio y de las propiedades fsicas de todos los componentes de la mezcla en el intervalo de presin y temperatura que ha de utilizarse. En la bibliografa se dispone de pocos datos para sistemas multicomponentes, y con mucha frecuencia las propiedades de las mezclas han de calcularse o estimarse a partir de las propiedades de los componentes puros. 3. Se selecciona la configuracin ptima de la columna que permite realizar la separacin deseada. Para ello se debe efectuar una estimacin del coste preliminar de diferentes columnas que operen dentro del intervalo posible de condiciones de operacin, que viene determinado por las condiciones de reflujo mnimo que corresponde a una columna que es capaz de llevar a cabo la separacin deseada con infinitas etapas- y reflujo total que corresponde a una columna que es capaz de llevar a cabo la separacin deseada con el nmeroi

El trmino generalmente se introduce ya que existe la posibilidad de que en un piso intermedio de la columna se obtenga un componente con un elevado grado de pureza y, por tanto, que pueda recuperarse como producto lateral. No obstante, sta sera una situacin excepcional.

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mnimo de etapas-. Si se conoce la produccin de la columna y la relacin entre el nmero de pisos y la razn de reflujo, puede estimarse el coste de funcionamiento de la columna y el capital inmovilizado para la instalacin completa. La configuracin ptima ser aquella que corresponda al mnimo coste. El diseo completo de una columna, as como su puesta a punto y funcionamiento constituyen tareas complejas. H.Z Kister ha publicado un libro (Distillation Operation-) en el que se describen las causas ms frecuentes de los problemas de operacin de las columnas de rectificacin y posibles maneras de evitarlos, donde se pone de manifiesto que en el 7% de los casos, los problemas tienen su origen en el diseo primario de la columna (clculos relacionados con equilibrio lquido-vapor, relacin entre el nmero de etapas y la relacin de reflujo, caractersticas especficas de la rectificacin multicomponente, eficiencias, escalado, dimensionado de la columna, esquemas de flujo, tipo de pisos y tamao y material del relleno), a pesar de que esta cuestin constituye el grueso de los conocimientos actuales sobre el proceso de destilacin. Hay que resaltar que, aunque estos aspectos son primordiales en el diseo y optimizacin de las columnas, parecen ejercer una influencia secundaria sobre el funcionamiento de la columna, sobre todo en el caso de procesos de separacin bien experimentados, aunque puede llegar a ser importante cuando se trata de separaciones que se van a poner a punto por vez primera. Sin embarg