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Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Destilación . Equilibrio (Soluciones Binarias)

1 Facultad de Ingenieria - UBA

Soluciones Ideales:

Raoult: La presión parcial de un componente A en una mezcla está relacionada con la concentración de ese componente en la mezcla liquida. (P°A es la presión parcial de A puro)

AAA PxP *

Para una mezcla que sigue la ley de Raoult la presión total de la misma puede hallarse como la suma de las presiones parciales de cada componente en la mezcla.

BAT PPP

@ T1

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Destilación . Equilibrio (Soluciones Binarias)

2 Facultad de Ingenieria - UBA

Dalton: Presión parcial del componente A en una mezcla de gases es igual a la Presión Total por la fracción molar del componente .

TAA PyP *

De la combinación de ambas leyes podemos obtener la dependencia de la fracción de cualquiera componente en el vapor en equilibrio en función de la concentración de ese mismo componente en la mezcla liquida.

AAA

T

AAAATAA xKx

P

PyPxPyP ****

B

T

BA

T

ABA x

P

Px

P

Pyy **1

Sabemos que se cumple.

BA

BTA

PP

PPx

)1(** ABAAT xPxPP

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Diagramas a Puntos de Ebullición (P Cte)

3 Facultad de Ingenieria - UBA

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Volatilidad Relativa

4 Facultad de Ingenieria - UBA

A

A

A

A

A

A

A

A

B

B

A

A

BB

AAB

x

x

y

y

x

yx

y

x

yx

y

P

P

K

K A

1

1

1

1

AAAB

A

A

A

AAB

A

A

A

A

AAB

yx

x

y

y

x

x

y

y

x

x 11

)1(1)1(

11 **

*

A

AAAB

AAB

AAAB

AAB

AAB

Ay

xx

x

yx

x

x

x

)1(

1)1(

*

*

*

*

*

)1(1 **

*

ABA

AABA

x

xy

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Destilación . Equilibrio (Soluciones Binarias)

5 Facultad de Ingenieria - UBA

Soluciones Reales:

Henry: La presión parcial de un componente A en una mezcla está relacionada con la concentración de ese componente en la mezcla liquida a través de la constante de Henry (valido para xA 0

HxP AA *

BAT PPP

@ T1

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Destilación . Equilibrio (Soluciones Binarias)

6 Facultad de Ingenieria - UBA

Soluciones Reales:

Henry: La presión parcial de un componente A en una mezcla está relacionada con la concentración de ese componente en la mezcla liquida a través de la constante de Henry (valido para xA 0

HxP AA *

BAT PPP

@ T1

Facutad de Ingenieria - UBA 7

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

TB

Concentración

xa

Tem

per

atu

ra

TB

Concentración

xa

Tem

per

atu

ra

ya

Fracción molar

xa

Fra

cció

n m

olar

ya

Fracción molar

xa

Fra

cció

n m

olar

TB

Concentración

xa

Tem

per

atu

ra

TB

Concentración

xa

Tem

per

atu

ra

ya

Fracción molar

xa

Fra

cció

n m

olar

ya

Fracción molar

xa

Fra

cció

n m

olar

• Azeotropos: • Efecto de la presión sobre el Equilibrio

Facutad de Ingenieria - UBA 8

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Flash (recta q): Condición térmica de la alimentación

F, ZF

Calentamiento o expansión

V, y

L, x

F

Lqq

VLF

como define se

(1)

(3) *)1(* yFqxqFFzF

(2) *** yVxLzF F

V

L

zx F

Fz-y (2)y (1) de

xq

qzF*

)1(q)-(1 y (3)y (1) de

Ecuación de la Recta q

Facutad de Ingenieria - UBA 9

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Flash (recta q): Condición térmica de la alimentación

• Balance entálpico

xq

qzF*

)1(q)-(1 y (3)y (1) de

(4) *** VLF HVHLHF

)(

)(

VL

VF

HH

HHq

)(*)(

*)1(* L/Fq que dado

VLVF

VLF

HHqHH

HqHqH

)( 0

00

)(10

1

)( 1

tadosobrecalenvapor

saturadovapor

VL Mezcla

saturado líquido

osubenfriad líquido

mqHH

mqHH

mqHHH

mqHH

mqHH

VF

VF

LFV

LF

LF

l

Facutad de Ingenieria - UBA 10

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

#1

#2

#n

#1

#2

#m

F=L + V

V1

DL0

LnVn-1

1mVmL

1V nL

WL m Facutad de Ingenieria - UBA 11

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Método de McCabe-Thiele para la determinación de Np

Zona de enriquecimiento o rectificación

Zona de Agotamiento o stripping

Alimentación Hipótesis: lAlB,

Pérdidas de calor y Calores de disolución despreciables.

Facutad de Ingenieria - UBA 12

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Zona de rectificación

• Balance de Masa

#1

#2

#n

#1

#2

#m

F=L + V

V1

DL0

LnVn-1

1mVmL

1V nL

WL m

VVVVnVn

LLLLLn

xnVn

LnxD

Vn

Dyn

xnLnxDDynVn

LnDVn

12....1

012...

como

*1

*1

1

**1*1

1

(A) **1 nDn xV

Lx

V

Dy

Dn

Dn

Dn

xy

xV

LDy

xx

1

1 *

para

DLV 0

Facutad de Ingenieria - UBA 13

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

y

x xD

yn+1

RECTA DE OPERACIÓN SUPERIOR (R.O.S)

(B) ** xV

Lx

V

Dy D

La ecuación A vale para toda la zona de rectificación, por lo tanto la reescribimos como

Luego se definen dos relaciones de Reflujo Relación de reflujo Interno (Ri) Relación de reflujo externo (R)

V

LRi

D

LR

0

Con estas definiciones reescribimos la ecuación B de la siguiente manera:

**1( ) xRxRy iDi

(R.O.S) *1

*1

1x

R

Rx

Ry D

1R

xD

V

L

Facutad de Ingenieria - UBA 14

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Zona de Agotamiento

• Balance de Masa

#1

#2

#n

#1

#2

#m

F=L + V

V1

DL0

LnVn-1

1mVmL

1V nL

WL m

VVVVV

WLLLL

xV

Wx

V

Ly

VxWxL

VWL

mm

mn

w

m

n

m

nm

mmwnn

mn

121

21

1

*

1

1

1 1*

1

....

...

como

*

y**

(A2) **1 nWm xV

Lx

V

Wy

Wm

Wm

Wn

xy

xV

WLy

xx

1

1 *

para

LmWV 1mV

Facutad de Ingenieria - UBA 15

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

y

x xW

ym+1

RECTA DE OPERACIÓN INFERIOR (R.O.I)

La ecuación A2 vale para toda la zona de agotamiento, por lo tanto la reescribimos como

1R

xD

V

L

(R.O.I) ** xV

Lx

V

Wy W

Facutad de Ingenieria - UBA 16

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• La torre completa

#1

#2

#n

#1

#2

#m

F=L + V

V1

DL0

LnVn-1

1mVmL

1V nL

WL m

W x**

Masa de Balance

WxDzF

WDF

DF

(R.O.I) ** xV

Lx

V

Wy W

(R.O.S) *1

*1

1x

R

Rx

Ry D

*xq)(

q

-q)(

z y

F

11

q Recta

Facutad de Ingenieria - UBA 17

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• La torre Completa.

Facutad de Ingenieria - UBA 18

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Plato de alimentación óptimo

Facutad de Ingenieria - UBA 19

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Reflujo Total

mínimo

productos de generaciónhay No

F.hay No

límiteCondición

N

VL

Facutad de Ingenieria - UBA 20

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Reflujo mínimo

límiteCondición

N

• Efecto del reflujo en los costos

Facutad de Ingenieria - UBA 21

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Condensador Parcial

Facutad de Ingenieria - UBA 22

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Vapor Vivo

Facutad de Ingenieria - UBA 23

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Reboiller total Reboiller parcial

Facutad de Ingenieria - UBA 24

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Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Alimentaciones multiples • Extracciones laterales • Pérdida de calor • Eficiencia global • Eficiencia de Murphee (Ev)

Facutad de Ingenieria - UBA 25

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Alimentaciones multiples

F2, q2, ZF2

F1, q1, ZF1

Facutad de Ingenieria - UBA 26

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Alimentaciones multiples

xD / R +1

Facutad de Ingenieria - UBA 27

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Extracciones laterales

Facutad de Ingenieria - UBA 28

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Extracciones laterales

Facutad de Ingenieria - UBA 29

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Pérdida de calor

Facutad de Ingenieria - UBA 30

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Pérdida de calor

Facutad de Ingenieria - UBA 31

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Facutad de Ingenieria - UBA 32

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

Operaciones Unitarias de Transferencia de Materia

• Eficiencia

Facutad de Ingenieria - UBA 33

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Facutad de Ingenieria - UBA 34

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Facutad de Ingenieria - UBA 35

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Facutad de Ingenieria - UBA 36

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Facutad de Ingenieria - UBA 37

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Facutad de Ingenieria - UBA 38

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Facutad de Ingenieria - UBA 39

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Facutad de Ingenieria - UBA 40

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Facutad de Ingenieria - UBA 41

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Facutad de Ingenieria - UBA 42

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Facutad de Ingenieria - UBA 43

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Facutad de Ingenieria - UBA 44