Una curva de residuo describe el cambio de la composición de la fase líquida de una mezcla química durante la evaporación continua en la condición de equilibrio vapor-líquido (destilación abierta). Las curvas de residuos múltiples para un solo sistema se denominan mapa de curvas de residuos .
Las curvas de residuos permiten probar la viabilidad de una separación de mezclas y, por lo tanto, son una herramienta valiosa en el diseño de procesos de destilación. Los mapas de curvas de residuos se utilizan normalmente para examinar mezclas ternarias que no pueden separarse fácilmente mediante destilación debido a puntos azeotrópicos o volatilidades relativas demasiado pequeñas .
Caracteristicas
- Las curvas de residuos comienzan en la composición de una alimentación y luego se mueven a componentes puros o puntos azeotrópicos con temperaturas más altas (condición isobárica) o presiones de vapor más bajas (condición isotérmica). Esto sucede porque se vaporizan más sustancias de punto de ebullición ligero que las sustancias de alto punto de ebullición y, por tanto, la concentración de los de punto de ebullición alto aumenta en la fase líquida. También se puede construir una curva de residuo al revés y luego se mueve al punto azeotrópico o componente puro con temperaturas más bajas o presión de vapor más alta.
- Los puntos azeotrópicos pueden crear las denominadas regiones de destilación separadas por líneas fronterizas de otras regiones. Si la composición de un alimento se encuentra dentro de una región específica, una curva de residuos no puede cruzar una línea fronteriza y permanece en su región inicial. Esto significa para una torre de destilación que no es posible obtener componentes puros en la parte inferior y la cabeza de la columna. Se obtiene al menos en una salida una mezcla azeotrópica.
- La misma conclusión es válida para los componentes puros. Si se encuentran en diferentes regiones de destilación, las mezclas de estos componentes puros no se pueden separar por simple destilación.
Definiciones
Los componentes puros y los puntos azeotrópicos se denominan nodos . Son posibles tres tipos diferentes:
- Nodo estable: este es el componente puro o el punto azeotrópico con la temperatura de ebullición más alta y la presión de vapor más baja en una región de destilación. Todas las curvas de residuos terminan en nodos estables.
- Nodo inestable: este es el componente puro o el punto azeotrópico con la temperatura de ebullición más baja y la presión de vapor más alta en una región de destilación. La curva de residuos nunca llega a un nodo inestable.
- Silla de montar: son componentes puros o puntos azeotrópicos con una temperatura de ebullición intermedia y presión de vapor en una región de destilación. Las curvas de residuos se acercan y luego se alejan de los sillines, pero los sillines nunca son puntos finales. Solo las líneas fronterizas comienzan o terminan en los sillines.
Las regiones de destilación y los nodos son la topología de la mezcla.
Cálculo
El cálculo de las curvas de residuos se realiza resolviendo el balance de masa a lo largo del tiempo mediante integración numérica con métodos como Runge-Kutta .
con
x: vector de composiciones líquidas en fracciones molares [mol / mol]
y: vector de composiciones de vapor en fracciones molares [mol / mol]
ξ: tiempo adimensional
La integración de esta ecuación se puede hacer hacia adelante y hacia atrás en el tiempo, lo que permite el cálculo desde cualquier composición del alimento hasta el comienzo y el final de la curva de residuos.
Ejemplo
La mezcla ternaria de cloroformo, metanol y acetona tiene tres azeótropos binarios y un azeótropo ternario. Junto con los tres componentes puros, el sistema tiene siete nodos que en total forman cuatro regiones de distalización. Dos nodos son estables (metanol puro y el azeótropo binario de cloroformo y acetona que tienen la presión de vapor más baja (cálculo isotérmico) en las dos regiones de las que forman parte. Los otros dos azeótropos binarios son nodos inestables. Tienen el vapor más alto presión en sus regiones.
Los otros nodos son sillas de montar (el azeótropo ternario, la acetona pura y el cloroformo puro).
Las líneas fronterizas en este sistema conectan el azeótropo ternario (silla) con los dos nodos estables y los dos nodos inestables.
Las curvas de residuos siempre se alejan de un nodo inestable a una silla de montar, pero nunca llegan a eso porque luego se convierten en un nodo estable.
Literatura
- Documento técnico de Chemstations
- Jürgen Gmehling , Michael Kleiber, Bärbel Kolbe, Jürgen Rarey, "Termodinámica química para la simulación de procesos", Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012, ISBN 978-3527312771
- Claudia Guterriez-Antonio, Gustavo A. Iglesias-Silva, Arturo Jiménez-Gutiérrez, "Efecto de diferentes modelos termodinámicos en el diseño de columnas de destilación azeotrópica homogénea", Chem. Ing. Comm., 195: 1059–1075, 2008, doi : 10.1080 / 00986440801907524
- Bastian Schmid, "Einsatz einer modernen Gruppenbeitragszustandsgleichung für die Synthese thermischer Trennprozesse", Tesis, Carl-von-Ossietzky-University Oldenburg, 2011, disponible en línea
- Widagdo S., Seider WD, "Destilación azeotrópica", AIChE J., 42 (1), 96-130, 1996, doi : 10.1002 / aic.690420110