¿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)


• 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:


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

Métodos de Simulación vs. Diseño


Una reflexión sobre que y como explicamos

Análisis Grados de Libertad

• 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



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


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




• 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



LIMITACIONES

A) Generalmente sólo se consideran columnasconvencionales con una única alimentación

B) El cambio de sector no se considera con detalle

Bibliografía tradicional


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

[**]


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


A

AAD

A VDLyVxD

xVDL

LyROA

−+⋅−⋅

+⋅−+

=1

11

12:

xOpt

L1

L0

V2

L’1V’1

L2

V3

V1

[**]


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


[**]



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

[**]


B) Columna de rectificaciB) Columna de rectificacióón generalizadan generalizada


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)


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


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




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


yQE1




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


yQE1




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

[**]


• Conclusiones• Conclusiones


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


•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


•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


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Una reflexión sobre qué y como explicamos

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