INTRODUCCIÓN Este trabajo, tiene la finalidad el dimensionamiento de una torre de platos para una destilación binaria, de cierto sistema y para determinadas condiciones de alimentación, residuo y destilado. La destilación es una de las más importantes operaciones unitarias. El principio que rige esta operación es la diferencia entre los puntos de ebullición o volatilidad relativa de los componentes de cierta mezcla. Esta diferencia nos permite la separación de las dos sustancias. Este fenómeno consiste en esencia en la formación de dos fases (L-V) mantenidas en contacto lo suficiente para que difundan los componentes de forma que al separarlas se consigan dos fracciones de distinta composición. En este trabajo realizamos la destilación con la condición que parte del condensado retorne a la columna (reflujo) de forma que el líquido descendente contacte íntimamente con el vapor que asciende al condensador. Así el vapor es más rico en el componente más volátil. A este proceso con reflujo le llamamos rectificación, que difiere de la destilación flash, en que la segunda no tiene reflujo. En la rectificación el contacto puede ser ser continuo (columnas de de relleno) o discontinuo (columnas de platos). El conocimiento teórico sobre columnas de destilación es muy importante al momento de realizar una destilación. Dicho conocimiento nos permite encontrar los parámetros necesarios para determinadas condiciones de destilado y residuo. Ya que sin este conocimiento no podríamos calcular el número de platos requeridos, o el reflujo necesario. necesario. Este trabajo nos muestra la forma correcta para dimensionar una columna, los pasos a seguir, y las correcciones que debemos realizar para el correcto funcionamiento de la columna, y para la obtención del producto buscado.
1. 1.1. 1.2. 1.3.
OBJETIVOS Dimensionar una columna de destilación binara de platos para el sistema acetona-agua. Determinar la eficiencia global de la operación con la carta de O‟Connel.
Determinar el número de platos teóricos y reales para la torre de destilación.
2. ENUNCIADO DEL PROBLEMA Dimensionar una columna de destilación para el sistema ACETONA-AGUA, cuya alimentación es de 14500(kg/h) que se encuentra a 25 C y su composición de alimentación es de (xf = 0.20); Su composición de destilado (xd = 0.95) y su composición de cola es (xw = 0.05). 3. DATOS N 1
N 1
Tabla 2-1 Datos de flujo de alimentación F (kg/h) TF (ºC) 14500 25 Tabla 2-2 Porcentaje molar de las corrientes XF XD 0.20 0.95
XW 0.05
3.1. Datos adicionales Tabla 2.1-1 Datos del equilibrio del sistema Acetona-Agua a P=760mmHg N Temperatura, ºC x % y % xacetona yacetona 1 100,00 0 0 0,000 0,000 2 97,01 1 27,9 0,010 0,279 3 92,90 3 51,5 0,030 0,515 4 88,70 5 63 0,050 0,630 5 81,10 10 75,4 0,100 0,754 6 75,10 15 79,4 0,150 0,794 7 70,91 20 81,3 0,200 0,813 8 67,59 25 82,6 0,250 0,826 9 65,71 30 83,4 0,300 0,834 10 64,30 35 83,8 0,350 0,838 11 63,16 40 84,2 0,400 0,842 12 62,35 45 84,6 0,450 0,846 13 61,79 50 85 0,500 0,850 14 61,31 55 85,5 0,550 0,855 15 60,97 60 86,3 0,600 0,863 16 60,66 65 86,9 0,650 0,869 17 60,31 70 87,5 0,700 0,875 18 59,94 75 88,2 0,750 0,882 19 59,54 80 89,8 0,800 0,898 20 59,11 85 91,5 0,850 0,915 21 58,62 90 93,5 0,900 0,935
22 23 24 25
57,72 57,25 56,76 56,50
95 97 99 100
96,2 97,55 99,13 100
0,950 0,970 0,990 1,000
0,962 0,976 0,991 1,000
Fuente: EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar, Madrid, pág, 441, 443.
Componente Acetona Agua Fuente: Tabla periódica.
Tabla 2.1-2 Peso Molecular de los componentes a TF Fórmula C3H6O H2O
Mi (kg/kmol) 58.08 18.16
Tabla 2.1-3 Propiedades de los componentes a TF Cp, J/mol K 127.65 75.4
λ, J/mol Componente Acetona 30200 Agua 40656 Fuente: CHARD M. FELDER, “PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LOS PROCESOS QUÍMICOS. Segunda Edicion, Limusa Wiley, pag 671.
4. Cálculos 4.1. Calculo del peso molecular promedio
() ()
4.2. Calculo de las moles de alimentación
4.3. Balance de masa
()
Resolviendo el sistema de ecuaciones se obtiene:
Tabla 3.3-1 Datos de concentración de las corrientes Corriente Alimentación,m3 Destilado, m3/h Residuo,m3
Símbolo F D W
Flujo, kmol/h 554.62 92.44 462.18
4.4. Recta de alimentación
4.4.1. Capacidad calorífica de la mezcla
̅ ∑ [J/molK] ̅ 85.85 J/molK
Ec. 4.4.1.-1
4.4.2. Entalpía específica de la mezcla
∑ [J/mol]
Ec. 4.4.2-1
4.4.3. Cálculo del parámetro f
-
-
Tb = 70.91 Ec. 4.4.1-1
4.4.4. Cálculo de la pendiente
) ( 4.4.5. Calculo del ángulo
Ec. 4.4.4-1
()
Ec.4.4.5-1 Ec.4.4.5.-2
4.5. Cálculo de reflujo mínimo 4.5.1. Cálculo de reflujo mínimo a : Ordenada al origen obtenida gráficamente Ver Anexo 1
Ec. 4.5.1-1
0.5222
4.5.2. Cálculo del reflujo de trabajo Con un valor de k= 10
Ec. 4.5.2-1
4.5.3. Cálculo de la ordenada al origen ( ) con el reflujo de trabajo
4.6. Construcción de las rectas de trabajo Se realiza en forma gráfica en el diagrama de equilibrio Y-X Ver Anexo 2 4.7. Cálculo del número de platos teóricos Se realiza en forma gráfica en el diagrama de equilibrio Y-X
Ec. 4.5.3-1
Ver Anexo 3 NT = 5.1
4.8. Cálculo del número de platos reales
Ec. 4.8-1
4.8.1. Cálculo de la temperatura media Tabla 4.8.1-1 Temperaturas de Ebullición X en peso Tb © 0.05 88.70 Residuo 0.95 57.75 Destilado Fuente: EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar, Madrid, pág, 441, 443.
4.8.2. Cálculo de la volatilidad relativa Tabla 4.8.2-1 Temperatura media y fracciones. Tm, © X 0.1750
() () ) ( () 4.8.3. Cálculo de la viscosidad media
Ec. 4.8.1-1
Y 0.8035
Ec. 4.8.2-1
Tabla 4.8.3-1 Datos de Viscosidad T©
Compuesto Acetona Agua Fuente: G.J. Geankoplis; “Procesos de transporte y Edición, Editorial Continental, México, 1998, pag: 966
Viscosidad (cp) 0.2 0.4 operaciones unitarias”; 3ra
Viscosidad acetona: 0.2 cp Agua = 0.4 cp
*∑ + [ () ()()]
Ec. 4.8.3-1
4.8.4. Cálculo de la eficiencia global
6.795
Ec. 4.8.4-1
A partir de este valor se realiza una interpolación en la carta de O‟Connel Ver Anexo 4,
encontrándose que:
78
Tabla 4.8.4-1 Resultado del cálculo del número de platos reales Plato de alimentación % 6.795 17 5.6
4.9.Cálculo del diámetro de la columna 4.9.1. Cálculo del diámetro de la cabeza Tabla 4.9.1-1 Datos de equilibrio de destilado XD YD 0.95 0.962 Fuente: EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar, Madrid, pág, 441, 443.
Tabla 4.9.1-2 Datos de densidad
Compuesto TD, (ºC) ρ, (kg/m ) Acetona 57.72 747.964 57.72 Agua 984.367 Fuente: PERRY, Robert, Chemical Engineers Handbook, 3ra ed., McGraw Hill Book Company Inc., New York. 1950, p. 2-95 4.9.2. Cálculo del peso molecular de la cabeza
() () ()() ⁄
Ec. 4.9.2-1
4.9.3. Densidad del vapor
()() ( )() ⁄
Ec. 4.9.3-1
4.9.4. Densidad del líquido
∑ () ()() ⁄
Ec. 4.9.4-1
4.9.5. Cálculo de G
√ ( )
Ec. 4.9.5-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52cm. De la carta de Brown-Souders C= 174 (ver anexo 5)
√ () ⁄ 4.9.6. Cálculo de V
()
Ec. 4.9.6-1
( ) ⁄ 4.9.7. Cálculo del área transversal
Ec. 4.9.7-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52cm
4.9.8. Cálculo del diámetro en la cabeza Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52cm
Ec. 4.9.8-1
( )
4.9.9. Resultados para el diámetro de la cabeza Tabla 4.9.9-1 Resultados para el diámetro de la cabeza DEP, (m)
G, 2 (Kg/hm )
C
V, (Kg/h)
0.46
167
6636.0985
7973.26
0.52
174 6914.2584
7973.26
A, (m2)
d, (m)
1.20149813
1.23684879
1.153162 1.21171427
180
0.55
4.10.
7152.6811
7973.26
1.11472327
1.19134787
Cálculo del diámetro de la cola
Xw 0.05
Tabla 4.10-1 Datos de equilibrio de residuo Yw
0.630
Fuente: EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar, Madrid, pág, 441, 443.
Tabla 4.10-2 Datos de densidad Tw, (ºC)
Compuesto ρ, (kg/m ) Acetona 708.61 88,70 Agua 966.191 88,70 Fuente: PERRY, Robert, Chemical Engineers Handbook, 3ra ed., McGraw Hill Book Company Inc., New York. 1950, p. 2-95 4.10.1. Cálculo del peso molecular medio en la cola
() ()()() ⁄
Ec. 4.10.1-1
4.10.2. Densidad del vapor
)() (( )() ⁄
Ec. 4.10.2-1
4.10.3. Densidad del líquido
∑ ()() ⁄ 4.10.4. Cálculo de G
Ec. 4.10.3-1
√ ( )
Ec. 4.10.4-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52cm. De la carta de Brown-Souders c =174
Ver anexo 5
√ ()() ⁄ 4.10.5. Cálculo de Vm
( ) ( ) ⁄
Ec. 4.10.5-1
4.10.6. Cálculo del área transversal
Ec. 4.10.6-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 55cm
4.10.7. Cálculo del diámetro en la cola Cálculo modelo para una distancia entre platos de 55cm
( )
Ec. 4.10.7-1
DEP, (m) 0.46 0.52 0.55
Tabla 4.10.7 Resultados para el diámetro de la cola G, C V, (Kg/h) A, (m2) d, (m) 2 (Kg/hm ) 167 4246.9994 9455.16 2.22631537 1.68363677 174 4425.0173 9455.16 2.13675096 1.64942287 180 4577.6041 9455.16 2.06552593 1.62169951
4.10.8. Cálculo del diámetro medio de la columna
Ec. 4.10.8-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52 cm
4.10.9. Cálculo de la longitud de la columna
( )
Ec.4.10.9-1
Cálculo modelo para una distancia entre platos de 52cm
() () () 5. RESULTADOS Tabla 5-1 Resultados de la columna DEP, (m) 0,46 0,52 0.55
6. DISCUSIÓN
Dm, (m) 1.460 1.431 1.406
L, (m) 8.97 10.14 10.725
La eficiencia dio un valor muy bajo debido a que la volatilidad relativa del sistema calculada a partir de los datos de equilibrio del sistema fue alta, y junto al producto de la viscosidad media dio un valor cercano a 10 lo que en la carta de O`Connel y se acerca a los límites de la carta. Además la k elegida fue en función del sistema debido a que fue un sistema que no está a altas temperaturas ni tiene alcoholes, entonces fue un sistema normal y los rangos de valores para k fueron de 1.3 a 3, según Vauck Muller. El valor escogido de la distancia entre los platos fue opcional y basado en los resultados del diámetro y longitud de la columna determinando estos valores a diferentes distancias entre cada plato. El método de Mc Cabe fue un poco complicado ya que hubo dificultad al momento de encontrar las densidades para cada componente a la temperatura determinada, por lo que se tuvo que reemplazar la temperatura en las ecuaciones dadas en la literatura especializada.
7. CONCLUSIONES 7.1. A medida que disminuimos la distancia entre platos, la columna se hace más corta y el diámetro más grande por ende se necesita mayor requerimiento de vapor en el calderín. 7.2. El tipo de alimentación que obtuvimos del sistema binario es para fluido frio ya que el factor q es mayor que 1 y la temperatura del sistema es menor a la de ebullición. 7.3. La volatilidad relativa del sistema es grande debido a que el compuesto tiene gran facilidad para evaporarse porque la curva está muy alejada de la diagonal. 7.4. El número de platos que se requieren para la separación es mayor para el reflujo total, y aumenta de forma continua a medida que disminuye la relación de reflujo. 7.5. A medida que se va reduciendo el reflujo, el área formada por las líneas de operación va disminuyendo y el número de platos aumenta. 7.6. El vapor producido será siempre más rico en el componente de punto de ebullición más bajo que el líquido con el que está en equilibrio, porque se evapora con mayor facilidad. 7.7. Se concluye que el procedimiento gráfico utilizado es válido para el diseño de la columna, con lo que es factible la construcción de la misma y la destilación para este sistema. 8. BIBLIOGRAFÍA
8.1. KIRSCHBAUM, Emil, Destilación y Rectificación, Traducción del alemán, Editorial Aguilar S.A., Madrid 1989. 8.2. OCON, J., TOJO, G., Problemas de la Ingeniería Química, Primera edición, Tomo 2, Graficas Halar, España, 1980 8.3. MEDINA JORGE, “Destilación: Notas de clase del Curso de Operaciones Unitarias I”, Ecuador, 2011– 2012
8.4. PERRY, Robert, Chemical Engineers Handbook, 7th ed., McGraw Hill Book Company Inc., New York. 1999 8.5. MC CABE, W. SMITH, J. y otros, Smith „Operaciones Unitarias en Ingeniería Química‟ 4ta edición editorial Mc Graw Hill. España, 1998.
8.6. FELDER R., ROSSEAU R. „Principios elementales de los procesos químicos‟ 2da edición, editorial Pearson, México, 1991. 8.7. GEANKOPLIS, C. J. „Procesos de transporte y operaciones unitarias‟ 3ra edición, editorial Cecsa, México, 1998. 9. ANEXOS 9.1.Curva de equilibrio del sistema acetona-agua con Rmin. (Anexo 1) 9.2.Curva de equilibrio del sistema acetona-agua con R T (Anexo 2) 9.3. Número de platos para el sistema acetona-agua. (Anexo 3) 9.4. Carta de O‟Connel. (Anexo 4) 9.5.Carta de Brown-Sounders. (Anexo 5)
Resultados R min 0.5222
Tabla 13-1 Valores de Reflujo Mínimo y de Trabajo f m k -0,1022 10.7847 10 Tabla 13-2 Resultados calculo N R Nº Platos Eficiencia Teóricos
Condiciones Iniciales F, kg/h 14500 25 T, ºC 0,20 XF 0,05 XW 0,95 XD
5.1
30 %
R T 5.222
Nº Platos Reales
17
Tabla 13-3 Resultados para el diámetro de la cabeza DEP, (m)
C
0.46 0.52 0.55
G, V, (Kg/h) A, (m2) d, (m) 2 (Kg/hm ) 167 6636.0985 7973.26 1.20149813 1.23684879 174 6914.2584 7973.26 1.153162 1.21171427 180 7152.6811 7973.26 1.11472327 1.19134787
Tabla 13-4 Resultados para el diámetro de la cola
DEP, (m)
C
0.46
167
0.52
174
0.55
180
G, V, (Kg/h) A, (m2) d, (m) 2 (Kg/hm ) 4246.9994 9455.16 2.22631537 1.68363677 4425.0173 9455.16 2.13675096 1.64942287 4577.6041 9455.16 2.06552593 1.62169951 Tabla 13-5 Resultados de la columna
DEP, (m) 0,46 0,52 0.55
Dm, (m) 1.460 1.431 1.406
L, (m) 8.97 10.14 10.725
