Destilación operaciones unitarias para ing.pptx

destilación elaborada por Lucía Buitrón para Clases de Yachay Tech

1. Destilación

2. Simple distillation

3. Flash Distillation (or Flash Distillation)

4. Distillation with reflux or single-phase rectification

5. Distillation with reflux or single-phase rectification

6. Steam Entrainment Distillation

7. Extractive and Azeotropic Distillation

8. Vapor-Liquid Contact in Distillation Columns Contact between vapor and liquid can be: Discontinuous (Tray Columns) Continuous (Packed Columns) Type of contact affects separation efficiency.

9. Tray (Plate) Columns Cylindrical vertical columns with horizontal trays. Vapor rises and bubbles through the liquid on each tray. Liquid flows downward through downcomers. Each tray ideally represents one theoretical stage . More trays → better separation

10. Tray Designs and Function Trays covered with liquid; overflow to lower tray. Vapor passes through the tray, contacting the liquid. Good vapor-liquid contact achieved via: Perforated trays Bubble-cap trays Valve trays Hydraulic seals prevent vapor bypass. Designs aim to improve contact while minimizing pressure drop

11. Packed Columns Use solid, inert packing materials to facilitate continuous contact. Packing increases the surface area for mass transfer. Liquid trickles down; vapor flows upward (countercurrent flow). Can be randomly or regularly arranged.

12. Properties of Packing Materials High surface area per unit volume. Low pressure drop. High mechanical strength. Lightweight structure. Various commercial types available

13. Tray Efficiency Tray efficiency measures how closely each actual tray approaches ideal equilibrium. Efficiency helps design optimal column height and number of trays. The height of the column will be obtained by multiplying the number of real floors by the separation between floors.

14. In the case of columns, the equivalent height of a theoretical floor (AEPT) is defined as the infill height necessary to achieve the same spacing as in a theoretical floor.

15. Liquid-vapor balance in binary mixtures Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-SA-NC

16. Fully Miscible Binary Systems They have 2 components and 2 phases (liquid and vapor).
According to Gibbs' Rule of Phases, there are 2 degrees of freedom:
You can freely choose 2 intensive variables between pressure, temperature and compositions.
By setting pressure and temperature → the composition of both phases is automatically determined.

17. Most Commonly Used Balance Diagrams Isobar diagrams (at constant pressure) are usually used.
Two common types:
Diagram T vs. x, y (Temperature vs. composition)
Diagram y vs x (Composition of vapor vs. liquid)

18. Diagrama T - x,y (Isóbaro) Muestra curva de burbuja y curva de rocío frente a composición. Eje X: composición del líquido (x) y del vapor (y) del componente más volátil. Eje Y: temperatura. El área entre curvas representa la zona de equilibrio líquido-vapor .

19. Proceso de Enriquecimiento En cada evaporación-condensación: El vapor es más rico en el componente más volátil . Al condensar, se obtiene un líquido más enriquecido (L1). Etapas sucesivas permiten alcanzar separación casi completa. Este principio se aplica en la destilación fraccionada

20. Diagram y - x ( Composition ) It shows the relationship between:
X: molar fraction in the liquid.
and: molar fraction in the vapor.
Each point corresponds to a single temperature.
Not very sensitive to pressure changes.
Very useful for applying the McCabe-Thiele method.

21. Influence of Volatility In the diagram T - x,y : Greater volatility difference → more open zone .
In diagram y - x: Greater volatility difference → greater separation from the diagonal. For ideal blends , the relative volatility remains constant . Example : benzene - toluene .

22. Mezclas Reales sin Azeótropo La volatilidad relativa cambia significativamente con la composición . Las curvas de equilibrio en los diagramas isobáricos presentan inflexiones . La forma del diagrama depende de si la volatilidad relativa es mayor en: Mezclas diluidas (x bajo). Mezclas concentradas (x alto). Ejemplos : Metanol – Agua (Figura 5.5a). Cloroformo – Benceno (Figura 5.5b).

23. Mixtures with Minimum Boiling Point Azeotrope Relative volatility changes from >1 to <1 with the increase of x.
There is a composition where relative volatility = 1 → azeotrope.
The azeotrope has a lower boiling T than any pure mixture or component.
The liquid and vapor phases have the same composition at that point. Example: Ethanol – Water (Figure 5.6a)

24. Mixtures with Maximum Boiling Point Azeotrope Relative volatility changes from <1 to >1 with the increase of x.
Azeotrope has a higher boiling T than any pure mixture or component.
There is also equal composition in both phases at that point.
Example: Acetone – Chloroform (Figure 5.6b).

25. Liquid -vapor equilibrium calculation for ideal binary mixtures In a liquid-vapor system in equilibrium, the vapor will be at its dew temperature and the liquid at its bubble temperature, naturally coinciding between both temperatures, which constitute the equilibrium temperature.
🔹 Bubble Temperature (Tb): It is the temperature at which the boiling of a liquid mixture begins at a given pressure. 📌 It marks the beginning of the formation of the first vapor bubble.
🔹 Dew Temperature (Tr): It is the temperature at which condensation of a mixture in the vapor phase begins at a certain pressure. 📌 It marks the appearance of the first drop of fluid.

26. Liquid -vapor equilibrium calculation for ideal binary mixtures ✅ En los cálculos de equilibrio líquido-vapor es fundamental conocer: Las temperaturas de burbuja y rocío . Las composiciones de las fases líquida y vapor. 📉 Para mezclas reales , los cálculos pueden ser complejos. 🧪 Si la mezcla se comporta como una disolución ideal , los cálculos se simplifican y pueden resolverse con leyes como la de Raoult y Dalton

27. Calculating Bubble Temperature in Ideal Solutions Assumptions:
Binary mixture (components 1 and 2).
Ideal liquid solution (complies with Raoult's law).
Known molar fractions: x1 and x2.
Constant pressure: P. Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-SA

28. Ley de Raoult Donde: Pi​: Partial Pressure of Component i . xi​: molar fraction of component i in the liquid . vapour pressure of the pure component i at temperature T. i=1,2  

29. Ley de Raoult Since the total pressure is the sum of the partial pressures, we will have: How is Tb calculated? An iterative method is used to find the value of Tb that satisfies the following equation:
The vapor pressure values of the components are required as a function of temperature.

30. Antoine's equation T: temperature (°C)
Ai,Bi,Ci: constant characteristics of the component

31. Una vez determinada la temperatura de burbuja, la composición de la fase vapor podrá determinarse, evaluando la presión parcial de cada componente y calculando la fracción molar de cada componente (y1 e y2) en la fase vapor a partir de la ley de Dalton. La temperatura de rocío (TR) de una mezcla de vapores puede determinarse de un modo similar. Si la mezcla vapor condensa a su temperatura de rocío, se encontrará en equilibrio con la primera gota de líquido que se ha formado. Si el líquido es una disolución ideal, entonces la composición de la fase líquida y la fase gaseosa estarán relacionadas p r las leyes de Raoult y Dalton,

32. La fracción m olar en la fase líquida podrá calcularse mediante la ecuación

33. Volatilidad relativa Un concepto útil, y muy corriente en cálculos ingenieriles, que relaciona los valores de equilibrio de las composiciones de un sistema, es la volatilidad relativa. Esta relación permite calcular la composición del vapor para cualquier valor de x, si se conoce la volatilidad relativa . Si el sistema se comporta de forma ideal, es fácil demostrar que

34. Simple Discontinuous Distillation

35. Total Matter Balance

36. Sudden distillation Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-SA-NC

37. Let Lo be the initial moles of liquid; L and V the final moles of liquid and vapor, respectively.
Performing a balance of total matter and that corresponding to the volatile component, we have:

38. Representing by q, the molar fraction of liquid remaining in the sudden distillation of 1 mole of initial mixing

39. Ejercicios En un equipo de destilación simple, se sitúa inicialmente en la caldera una mezcla de benceno(l) y lolueno (2) con una fracción molar en benceno igual a 0,6. a) Si se desea finalizar la destilación cuando la fracción molar de benceno en la caldera se haya reducido a 0,5 ¿qué porcentaje de la carga inicial se ha de destilar? b) ¿Cuál será la composición del líquido residual cuando se haya destilado el 70% de la carga inicial? ¿Cuál será la composición media del vapor generado durante la destilación? La volatilidad relativa es 2,6.  

40. Las mezclas formadas por los componentes 1 y 2 se comportan idealmente en todo el intervalo de sus temperaturas de ebullición a presión atmosférica . Determinar : a) La temperatura de burbuja de una mezcla líquida cuya fracción molar del componente más volátil (1) es X1 = 0,4. b) La temperatura de rocío de una mezcla vapor cuya fracción molar del componente más volátil (1) es Y1 = 0,4. c) Las composiciones del vapor y del líquido y las cantidades de ambas fases que resultan en la destilación súbita de 100 moles de mezcla líquida de composición X1 = 0,4 a 345 K.

41. Las mezclas de los componentes A y B siguen un comportamiento ideal en todo su intervalo de temperaturas de ebullición a presión atmosférica (101.3 kN/m²). Determinar: a)  Temperatura de burbuja  de una mezcla líquida con  xA ​=0.6 . b)  Temperatura de rocío  de una mezcla vapor con  yA ​=0.7 . c)  Composiciones y cantidades de fases  tras una destilación súbita de 80 moles de mezcla líquida ( xA ​=0.6 ) a 345 K.

42. Rectificación de mezclas binarias

43. Column Structure: It is divided into enrichment sector (top) and exhaustion sector (bottom) by the feeding stage.
Enrichment: Removes the least volatile component of the vapor.
Depletion: Removes the most volatile component of the liquid.

44. Funcionamiento por pisos: On each floor, the vapor (V) and liquid (L) come into contact.
The vapor is enriched in volatile component (↑ *y*), and the liquid is impoverished (↓ *x*).
Temperatures drop toward the top of the spine.

45. Reflux: Essential for enriching the steam . Some of the vapor condenses and is returned as a liquid ( reflux ). External reflux ratio = *L/D* ( reflux vs. distillate ). Internal reflux ratio = *L/V* ( reflux vs. steam on the upper floor ).

46. Equilibrio clave y límites de Operación Equilibrio clave: Reflujo alto: Menos pisos necesarios, pero mayores costes (energía, tamaño de equipos). Reflujo bajo: Más pisos necesarios, aumenta costes de construcción. Óptimo económico: Reflujo ≈ 1.5-2 veces el reflujo mínimo. Límites de operación: Reflujo mínimo: Separación posible con infinitos pisos. Reflujo infinito: Mínimos pisos, pero costes elevados. Nota: La eficiencia depende de la volatilidad de los componentes, el número de pisos y el reflujo usado.

47. Simplified method of Mc Cabe-Thiele Constant molar flow rates (L and V) in each sector of the column.
Valid if:
Reflux returns to bubble temperature.
Feeding is not superheated steam or subcooled liquid.
It simplifies calculations by avoiding enthalpic balances.

48. Necessary data: Feed: Composition (x_A) and flow rate (A).
Distillate: Composition (z_D).
Residue: Composition (x_R).
Reflux ratio (L_D/D).
Equilibrium data (y curve vs x).

49. Calculation of distillate and residue stream flow rates The first equation represents the global balance, while the second is the matter balance referring to the most volatile component.
The solution of this system of equations will allow us to know the values of the distillate and residue flows.

50. Calculation of the number of floors required for separation Consider any floor n of the enrichment sector and the top of the column. If a matter balance is made referring to the most volatile component, the following equation is obtained:

51. Liquid and steam flow rates remain constant in the enrichment sector Enrichment sector operating line. Relacionar las composiciones de líquido y vapor entre pisos del sector de enriquecimiento.

52. A balance of matter is made referring to the most volatile component in the sector of column exhaustion Assuming constant molar flow rates throughout the depletion sector Operating line of the exhaustion sector.

53. Key Steps of Diagram y-x: Graph the equilibrium curve (experimental or theoretical data).
Draw the lines of operation: Enrichment: From ( zD ) with R/R+1 slope.
Exhaustion: From ( xR ) and connects to the point of intersection with line q. 3. Line q (feeding):
If the feed is at bubble temperature (q=1): Vertical line in xA .
Intersection: The lines of operation intersect at xA (for q=1).

54. Construcción de Etapas (Pisos Teóricos) Start on the condenser: Partial condenser: Starts at ( xL,yD ) (vapor-liquid equilibrium).
Total Capacitor: Starts at ( zD )
2. Graphical method (steps):
Vertical from yD to the enrichment line → You get xL .
Horizontal from xL to the equilibrium curve → You get y1.
Repeat until you reach the intersection of the operating lines.
Switch to Exhaustion Sector: Continue with the exhaustion line until you reach xR .

55. Efecto de la Razón de Reflujo (R) Reflujo mínimo ( R min ​ ) : La recta de operación toca la curva de equilibrio →  Infinitos pisos . Reflujo infinito ( R→∞ ) : Pendiente de enriquecimiento → 1 (recta diagonal) →  Mínimos pisos . Reflujo óptimo : Ropt≈1.5−2×Rmin​ .

56. Condición de la alimentación. Recta q En una columna de rectificación, la  corriente de alimento  (mezcla a separar) se introduce entre dos pisos consecutivos (a y a+1). Su estado físico (líquido, vapor o mezcla) afecta cómo se integra a las corrientes internas de la columna:

57. Condición de la alimentación. Recta q If the food contains steam:
The vapor fraction mixes with the rising vapor (Va) of the lower floor (a), forming a new vapor (Va+1) that rises to the floor a+1.
The liquid in the food does not interfere with the liquid in the floor a.
If the food contains liquid:
The liquid fraction joins the descending liquid (La+1) of the upper floor (a+1), forming a new liquid (La) that descends to the floor a.
Food steam does not affect floor steam a+1.
Liquid fraction (q)

58. It can also be defined as the fraction of food that is incorporated into the liquid that goes down the column. Therefore, there is Balance de materia referido al componente volátil entre el piso a+1 y el condensador Del mismo modo, entre el piso a y la caldera:

59. Por otra parte, aplicando las dos ecuaciones anteriores al punto de corte de las mismas: ya=ya= yc y Xa+1=Xa+1= Xc se tendrá: Balance de material referido al componente volátil alrededor de la columna

60. Equation representative of the so-called line q on which the two lines of operation must be cut, whatever the power condition.
This line cuts to the diagonal, and c = x c, at the point of the same abscissa XA and whose slope is q/q - 1 .

61. In practice, to determine the number of equilibrium floors required to carry out a given separation.
draw the enrichment line and the q line, and from the point of intersection of both lines the exhaustion line will be drawn by joining the point y = x = x R

62. Razón de reflujo mínima (Rmin): If you use a small amount of reflux (fluid that returns to the spine):
- The lines of operation (enrichment and depletion) are approaching the equilibrium curve.
- The point where they intersect (P) moves towards the curve, reducing the space to draw the floors.
-When P touches the curve (P'), infinite floors are needed (impossible in practice).
For complex mixtures (e.g. ethanol-water, with concave equilibrium curve):
- Rmin is calculated by drawing a line tangent to the curve from the point of the distillate.

63. Infinite reflux ratio (total reflux): If all the steam condenses and is returned to the column (there is no distillate or residue):
The lines of operation become equal to the diagonal (y=x).
The number of floors is the minimum possible, and is calculated by drawing steps between the equilibrium curve and the diagonal curve.

64. Ejemplo 5.4. Una mezcla binaria con 40% en moles del componente más volátil se alimenta a una columna de rectificación continua como líquido a su temperatura de ebullición. Se desea separar la mezcla en dos fracciones, ambas con un mínimo de pureza del 90%. 1. Si la volatilidad relativa del sistema es 2,0 ¿cómo se calcularían los dalos del equilibrio? Comprobar el resultado para x - 0,5. 2. Determinar la relación de reflujo mínima a que podría operar dicha columna. 3. Calcular el núm ero de pisos teóricos mínimos que deberían usarse para efectuar dicha separación. 4. Sí la relación de reflujo es 2 veces la determinada como mínima en el apartado 2. a) Determinar D, R, L n, Vf ¡, L m, y Vm para A = 100 kmol/h. b) Escribir las ecuaciones de ambas líneas de operación. c) Determinar el número de pisos reales de la sección de enriquecimiento.