Una curva de residuos describe el cambio en la composición de la fase líquida de una mezcla química durante la evaporación continua en condiciones 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 comprobar la viabilidad de la separación de mezclas y, por lo tanto, son una herramienta valiosa para diseñar procesos de destilación. Los mapas de curvas de residuos se utilizan normalmente para examinar mezclas ternarias que no se pueden separar fácilmente por destilación debido a puntos azeotrópicos o volatilidades relativas demasiado pequeñas .
Características
Las curvas de residuos comienzan en la composición de una carga y luego se desplazan hacia los 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 bajo que sustancias de punto de ebullición alto y, por lo tanto, la concentración de sustancias de punto de ebullición alto aumenta en la fase líquida. También se puede construir una curva de residuos al revés y luego desplazarse hacia el punto azeotrópico o el componente puro con temperaturas más bajas o presión de vapor más alta.
Los puntos azeotrópicos pueden crear las llamadas regiones de destilación separadas por líneas limítrofes de otras regiones. Si la composición de una carga se encuentra dentro de una región específica, una curva de residuo no puede cruzar una línea limítrofe y permanece en su región inicial. Esto significa que para una torre de destilación no es posible obtener componentes puros en la parte inferior y superior de la columna. Al menos en una salida se obtiene 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 pueden separarse mediante una destilación simple.
Definiciones
Estabilidad de las curvas de residuos en la proximidad de azeótropos binarios
Los componentes puros y los puntos azeotrópicos se denominan nodos . Son posibles tres tipos diferentes:
Nodo estable: 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: 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 alcanza un nodo inestable.
Sillas de montar: son componentes puros o puntos azeotrópicos con una temperatura de ebullición y una presión de vapor intermedias en una región de destilación. Las curvas de residuos se mueven hacia las sillas de montar y luego se alejan de ellas, pero las sillas de montar nunca son puntos finales. Solo las líneas limítrofes comienzan o terminan en las sillas de montar.
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 en el 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 realizar hacia adelante y hacia atrás en el tiempo permitiendo el cálculo desde cualquier composición de alimentación hasta el inicio y el final de la curva de residuos.
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 conjunto 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 en las que forman parte. Los otros dos azeótropos binarios son nodos inestables. Tienen la presión de vapor más alta 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 de montar) con los dos nodos estables y los dos nodos inestables.
Las curvas de residuos siempre se alejan de un nodo inestable hacia una silla, pero nunca lo alcanzan porque entonces giran hacia 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 Jimenez-Gutierrez, "Efecto de diferentes modelos termodinámicos en el diseño de columnas de destilación azeotrópica homogénea", Chem. Eng. Comm., 195:1059–1075, 2008, doi :10.1080/00986440801907524
Bastian Schmid, "Einsatz einer modernen Gruppenbeitragszustandsgleichung für die Synthese thermischer Trennprozesse", Tesis, Universidad Carl-von-Ossietzky de Oldenburg, 2011, disponible en línea
