¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon

1CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

¿Aplicamos correctamente el método de

McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?

Una reflexión sobre “qué” y “cómo” explicamos

¿Aplicamos correctamente el método de

McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?

Una reflexión sobre “qué” y “cómo” explicamos

A. Marcilla, J.A. Reyes-Labarta y M.D. Serrano

Departamento de Ingeniería QuímicaInstituto de Ingeniería de los Procesos QuímicosUniversidad de Alicante(http://iq.ua.es/gcef.htm)

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• Ejemplo: Cálculo de columnas de rectificación• Ejemplo: Cálculo de columnas de rectificación

• Objetivo• Objetivo

Evitando que los métodos de cálculo sean “recetas” o “cajasnegras” sin interacción dónde únicamente se introducen unos datosy se obtienen unos resultados

Fomentando la capacidad de análisis y autoaprendizaje

Motivación

¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?

Una reflexión sobre que y como explicamos

Crear un debate sobre “qué” y “cómo” explicamos:

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• Cálculo de columnas de rectificación• Cálculo de columnas de rectificación

Métodos de Simulación vs. Diseño

¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?

Una reflexión sobre que y como explicamos

Análisis Grados de Libertad

• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva

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• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva

Diseño de Operaciones de Separación

A) Simuladores comerciales (Hysys, Aspen, ChemCad, etc.)

1

3

4 5 6

8

2

4

5 6 7

2

1

3

8

9

10

Benceno puro

Az. Bin.

ETANOL

Vapor (A.T.)

F. orgánica

Vapor (0)7

11

F. acuosa

13

Vapor (A.T.)

12

agua-etanol

14

AGUA

15Az. Bin.

Son las herramientas actuales para tantopara el diseño, como la simulación y optimización de procesos, especialmenteen sistemas multicomponentes

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• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva

B) Métodos de diseño tradicionales(McCabe-Thiele, Ponchon-Savarit, Sorel, Sorel-Lewis, etc.)

y

x xDxR zA

H/h

y, x

y

zA1xA1

∆1

c1 =xD

D

c2 =xR

R

∆2

V1,1V1,1A

FP

Diseño de Operacionesde Separación

6CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

B) Métodos de diseño tradicionalespara sistemas binarios (McCabe-Thiele, Ponchon-Savarit, Sorel, Sorel-Lewis, etc.)

y

x xDxR zA

Diseño de Operacionesde Separación

Determinar situaciones especiales:

Calcular el número óptimo de pisos

Permiten, para una separación dada:

Reflujo mínimo

Excesivo reflujo o vapor en la caldera

Alimentos en ubicaciones no adecuadas

Necesidad de intercondensadores o intercalderas

• Primera disyuntiva• Primera disyuntiva

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Diseño de Operaciones de Separación

• McCabe, W.L.; Thiele, W.E. Graphical design of fractional columns, Ind. Eng. Chem. 1925, 17, 605.

• Seader JD, Henley E.J., Roper D.K. Separations Process Principle. Chemical and Biochemical Operations. New York:John Willey & Sons, 3th ed. 2011.

• Petlyuk, F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of Separations Units. Cambridge Series in Chemical Engineering. 2004.

• Stichmair JG, Fair JR. Distillation: Principles and Practice. New York:Willey-VCH, 1998.

• Biegler, L.T.; Grossmann, i.E.; Westerberg, A.W. Systematic Methods of Chemical Process Design. New Jersey: Prentice Hall, 1997.

• McCabe W.L.; Smith J.C.; Harriot, P. Unit Operations of Chemical Engineering. New York: McGraw-Hill; 5th ed. 1993.

• Kister, H.Z. Distillation Design. New York: McGraw-Hill; 1992.• King, C.J. Chemical Engineering Series. Separation Processes. New York:

McGraw-Hill; 1980.• Treybal, R.E. Mass Transfer Operations, Chemical Engineering Series.

McGraw Hill: New York, 3th ed. 1981.• Doherty M.F., Malone M.F. Conceptual design of distillation systems. New

York: McGraw-Hill; 2001.• …

Bibliografía tradicional

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Diseño de Operaciones de Separación

LIMITACIONES

A) Generalmente sólo se consideran columnasconvencionales con una única alimentación

B) El cambio de sector no se considera con detalle

Bibliografía tradicional

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A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencionaln convencional

y

x xDxR zA

FP

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

xA

yAAlimento

Destilado

Residuo

LD

...

...

n=1

n=N

A, ZA,i, qA

( ) ( )A

A

A

A

qz

xqq

yFPqcta−

+⋅−−

=11

:)( Re

[**]

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y

xDxzAxR xA

yA

A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencionaln convencional

Alimento

Destilado

Residuo

LD

...

...

n=1

n=N

A, ZA,i, qA

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

A

AAD

A VDLyVxD

xVDL

LyROA

−+⋅−⋅

+⋅−+

=1

11

12:

xOpt

L1

L0

V2

L’1V’1

L2

V3

V1

[**]

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A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencional: diferentes estados tn convencional: diferentes estados téérmicos del alimento rmicos del alimento qqAA

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1)·(

1)]·(h[H

)osubenfriad líquido( >−

+=−+−

=A

AburbujaPL

A

burbujaAPLAAA

TTCTTCq

λλ

0)·()]·(H[H

)tadosobrecalenvapor ( <−−

=−+−

=A

rocíoAPV

A

rocíoAPVAAA

TTCTTCq

λλ

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

[**]

12CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

a)0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 b)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 2 3 4 5 6Tray

Liq

uid

mo

lar

fra

cti

on

Classical approach (FP)

Alternative approach (FOL)0 %

0 %

0 %

-23 %

-112 %

-180 %

A) Columna de rectificaciA) Columna de rectificacióón convencional: diferentes estados tn convencional: diferentes estados téérmicos del alimento rmicos del alimento qqAA

[**]

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B) Columna de rectificaciB) Columna de rectificacióón generalizadan generalizada

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

A2A2

Q D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

1

2

L 1, 0L 1, 0

RQ R

A1A1

3

A2A2

Q D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

1

2

L 1, 0L 1, 0

RQ R

P 1P 1

3

A1A1

Q D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

1

2

L 1, 0L 1, 0

W R

A (zA=xA)2

Q D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

1

2

L 1, 0L 1, 0

RQR

3

Q (yQE1)E1

QA3

4

(xQA3)

14CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

RR

A2A2

Q DQ D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

2

3

L 1, 0L 1, 0

Q

1Q E1

y D

zA2xR xD

1

2

3

x

¿aplicado a un vapor de yQE1?

yQE1

15CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

RR

A2A2

Q DQ D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

2

3

L 1, 0L 1, 0

Q

1Q E1

y D

zA2xR xD

1

2

3

x

¿aplicado a un vapor de yQE1?

yQE1

16CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

RR

A2A2

Q DQ D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

2

3

L 1, 0L 1, 0

Q

1Q E1

y D

zA2xR xD

1

2

3

x

¿aplicado a un vapor de yQE1?

yQE1

17CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

C) Corrientes laterales de calor (C) Corrientes laterales de calor (P.ejP.ej. . intercondensadorintercondensador))

Diseño de Operaciones de Separación: McCabe-Thiele

RR

A2A2

Q DQ D

D

L 1, 0+ DL 1, 0+ DL 1, 0+ D

2

3

L 1, 0L 1, 0

Q

1Q E1

y

yQE1

D

zA2xR

x1,NP1

xD

1

2

L2,0 =L1,NP1 +V1,0 como líquido

y1,0 =y2,1

y1,0 como líquido

3

yQE1

¡aplicado a un vapor de y = zQE1!

L1,NP1

V2,1

V1,0

L2,0

QE1

L1,NP1

V2,1

V1,0

L2,0

QE1

[**]

18CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

• Conclusiones• Conclusiones

¿Aplicamos correctamente el método de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit?

Una reflexión sobre qué y cómo explicamos

La utilización y análisis de los métodos clásicos, aunqueaproximados y/o limitados, puede ayudarnos a mejorar el entendimiento de las operaciones de separación

Aunque sean métodos simplificados no hace falta explicarlos de forma simplificada

Su aplicación a casos más complejos nos puede proporcionarmaterial de trabajo para las tutorías grupales, etc.

y D

zA2xR xD

1

2

3

x

yQE1

y

xDxzAxR xA

yAxOpt

19CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

•Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. ANALYSIS OF THE ZONE CONNECTING CONSECUTIVE SECTORS IN DISTILLATION COLUMNS BY THE PONCHON-SAVARIT METHOD. 12th Mediterranean Congress of Chemical Engineering. EXPOQUIMIA’11 (http://hdl.handle.net/10045/19864). 2011.

•[**] Marcilla, A.; Serrano, M.D.; Reyes-Labarta, J.A. REVISION AND EXTENSION OF THE McCABE-THIELE METHOD, COVERING MULTIPLE FEEDS, PRODUCTS AND HEAT TRANSFER STAGES. Industrial & Engineering Chemistry Research. En revisión 2012.

• Reyes-Labarta, Juan Antonio.Extensión del método de Ponchon y Savarit para el diseño de columnas de rectificación y extracción en sistemas multicomponentes. Cálculo del reflujo mínimo. Biblioteca Virtual Miguel de Cervantes (Universidad de Alicante) , 1998. http://www.cervantesvirtual.com/FichaObra.html?Ref=4845

• Marcilla, A.; et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE RECTIFICACIÓN: McCABE–THIELE. Página web de autoaprendizaje (Dpto. de Ingeniería Química-UA): http://iq.ua.es/McCabe-V2/

• Marcilla, A. et al. MÉTODO DE DISEÑO PARA COLUMNAS DE RECTIFICACIÓN: PONCHON–SAVARIT. Página web de autoaprendizaje (Dpto. de Ingeniería Química-UA): http://iq.ua.es/Ponchon/

Información adicional

20CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

•Reyes-Labarta, J.A.; Caballero, J.A.; Marcilla, A. A NOVEL HYBRID SIMULATION-OPTIMIZATION APPROACH FOR THE OPTIMAL DESIGN OF MULTICOMPONENT DISTILLATION COLUMNS. European Symposium on Computer Aided Process Engineering-22 / Ed. Ian David Lockhart Bogle and Michael Fairweather / Elsevier Science 12th (Computer Aided Chemical Engineering). 2012; 30 (in press)

•Reyes, J.A.; Gomez, A.; Marcilla, A. GRAPHICAL CONCEPTS TO ORIENT THE MINIMUM REFLUX RATIO CALCULATION ON TERNARY MIXTURES DISTILLATION. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2000; 30, 10: 3912-3919.

• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A.; Olaya M.M. NEW METHOD FOR QUATERNARY SYSTEMS LIQUID-LIQUID EXTRACTION TRAY TO TRAY DESIGN. Industrial & Engineering Chemistry Research. 1999; 38, 8: 3083-3095.

• Marcilla, A.; Gomez, A.; Reyes J. A. NEW METHOD FOR DESIGNING DISTILLATION COLUMNS OF MULTICOMPONENT MIXTURES. Latin American Applied Research International Journal on Chemical Engineering. 1997; 27(1-2): 51-60.

Información adicional

21CIDIQ. 26-27 Enero, 2012. Granada

¿Preguntas?ja.reyes@ua.es

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