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 probar la viabilidad de una separación de mezclas y por 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 se pueden separar fácilmente mediante destilación debido a puntos azeotrópicos o volatilidades relativas demasiado pequeñas .
Características
Las curvas de residuos comienzan en la composición de una alimentación y luego pasan 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 bajo punto de ebullición que de alto punto de ebullición y, por lo tanto, la concentración de las sustancias de alto punto de ebullición aumenta en la fase líquida. También se puede construir una curva de residuo al revés y luego moverse al punto azeotrópico o 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 fronterizas de otras regiones. Si la composición de un alimento se encuentra dentro de una región específica, la curva de residuos no puede cruzar una línea fronteriza y permanece en su región inicial. Esto significa que en una torre de destilación no es posible obtener componentes puros en el fondo y en la cabeza 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 se pueden separar mediante destilación simple.
Definiciones
Estabilidad de las curvas de residuos en las proximidades 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 llega a un nodo inestable.
Silla de montar: Son componentes puros o puntos azeotrópicos con una temperatura de ebullición y presión de vapor intermedias en una región de destilación. Las curvas de residuos se acercan y luego se alejan de las sillas de montar, pero las sillas de montar nunca son puntos finales. Sólo las líneas fronterizas 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 alimento hasta el principio 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 total forman cuatro regiones de distalación. 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 sus 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 de montar) 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 ese punto porque luego 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 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, Universidad Carl-von-Ossietzky de Oldenburg, 2011, disponible en línea
