Laboratorio de Operaciones Unitarias II
DESTILACIÓN CONTINUA DE UNA MEZCLA BINARIA
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….. 3 JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………………………………. 4 MARCO TEÓRICO……………………………………………………………… TEÓRICO……………………………………………………………………………….….. ……………….….. 5
MARCO METODOLÓGICO ……………………………………………………………………….15 Materiales y Equipos………………………………………………………………….15 Descripción del equipo………………………………………………………………..16 Procedimiento Experimental………………………………………………………..17 RESULTADOS Y DISCUSIÓN…………………………………………………………………….20 Datos experimentales……………………………………………………………………20 Resultados y discusión…………………………………………………………………23 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………..29 RECOMENDACIONES…………………………………………………………………………………30 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………..31 APÉNDICE………………………………………………………………………………………………….32 ANEXOS…………………………………………………………………………………………………….38
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….. 3 JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………………………………. 4 MARCO TEÓRICO……………………………………………………………… TEÓRICO……………………………………………………………………………….….. ……………….….. 5
MARCO METODOLÓGICO ……………………………………………………………………….15 Materiales y Equipos………………………………………………………………….15 Descripción del equipo………………………………………………………………..16 Procedimiento Experimental………………………………………………………..17 RESULTADOS Y DISCUSIÓN…………………………………………………………………….20 Datos experimentales……………………………………………………………………20 Resultados y discusión…………………………………………………………………23 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………..29 RECOMENDACIONES…………………………………………………………………………………30 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………..31 APÉNDICE………………………………………………………………………………………………….32 ANEXOS…………………………………………………………………………………………………….38
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INTRODUCCIÓN
El objetivo de esta práctica es evaluar la eficiencia de una torre perforada de platos mediante una destilación continua de una mezcla binaria para un sistema de metanol – agua a reflujo parcial. Para lograrlo se realiza un balance de masa del proceso y de energía con la ayuda del método de McCabe – Thiele, determinando con este método los platos teóricos y luego con ellos la eficiencia del proceso. Esta práctica resulta de gran importancia ya que este es un proceso que se maneja comúnmente en las industrias cuando se desea separar una mezcla en sus componentes líquidos y gaseosos o en cada una de sus fases . Un sistema de destilación continua consta de una torre de destilación, estas torres son alimentadas constantemente con lo cual se garantiza una producción continua de producto destilado y de fondo, presentándose en las torres operaciones de transferencia de masa y de energía las cuales hacen posible la obtención de productos en especificación. En la destilación la separación de los constituyentes constituyentes se basa en las las diferencias de volatilidad. En la destilación, una fase de vapor se pone en contacto con una fase líquida, transfiriéndose masa del líquido al vapor y del vapor al líquido. Por lo general, el líquido y el vapor contienen los mismos componentes aunque en distintas proporciones.
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JUSTIFICACIÓN
Al haber reflujo presente, la práctica permitirá obtener conocimientos de como la manipulación de este permite obtener la especificación del producto deseado, así como las variables que deben ser analizadas y controladas. En la industria la destilación binaria es una operación que permite realizar la separación de dos componentes donde el residuo debe ser preferiblemente despreciable para que de este modo se pueda recuperar la materia requerida con un máximo de pureza, lo cual representaría un alto rendimiento proyectándose así
en el terreno económico de forma positiva, otra
importancia de evaluar una torre de platos perforados radica en la necesidad de conocer el funcionamiento de este tipo de equipos. En la práctica la mezcla utilizada fue metanol- agua, y un equipo de destilación marca Scout, se trabajó a presión atmosférica y a temperatura ambiente.
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MARCO TEÓRICO
Destilación: Proceso de separación que utiliza fases de vapor y líquido, esencialmente a la misma temperatura y a la misma presión, para las zonas coexistentes. Alimentación: El material de alimentación que se debe separar en fracciones, se introduce a uno o más puntos a lo largo de uno o más puntos a lo largo de la coraza de la columna. Debido a la diferencia de gravedad entre la fase de vapor y la líquida, el líquido corre hacia debajo de la columna, cayendo en cascada de plato a plato, mientras que el vapor asciende por la columna, para entrar en contacto con el líquido en cada uno de los platos Producto de Fondo: El líquido que llega al fondo de la columna se vaporiza parcialmente en un rehervidor calentado para proporcionar vapor rehervido que asciende por la columna. El resto del líquido se retira como producto de fondo. Producto Superior: El vapor que llega a la parte superior de la columna se enfría y condensa como líquido en condensador superior. parte de este líquido regresa a la columna como reflujo, para proporcionar un derrame de líquido. El resto de la corriente se retira como producto destilado o superior.
Operaciones de Destilación Continua:
Los procesos de separación alcanzan sus objetivos mediante la creación de 2 o más zonas que coexisten y que tienen diferencias de temperatura, presión composición y fase. Cada especie molecular de la mezcla a separar reaccionará de modo único ante las condiciones diversas presentes en cada zona. Consecuentemente a medida que se avance hacia el equilibrio cada especie establecerá una distinta concentración en cada zona resultando una separación entre ellas.
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La destilación es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla volátil por medio de la transferencia simultánea de calor y masa. Utiliza fases de vapor y líquido, esencialmente a la misma temperatura y la misma presión para las zonas coexistentes. Para llevar a cabo la operación se aprovecha la diferencia de volatilidad de los constituyentes de la mezcla, separando o fraccionando éstos en función de su temperatura de ebullición. Cabe mencionar que un compuesto de punto de ebullición bajo se considera “volátil” en relación con los otros componentes de puntos de ebullición mayor. Los
compuestos con una presión de vapor baja tendrán puntos de ebullición altos y los que tengan una presión de vapor alta tendrán puntos de ebullición bajos. Se usa para concentrar mezclas alcohólicas y separar aceites esenciales así como componentes de mezclas líquidas que se deseen purificar. La destilación fraccionada es el método más empleado actualmente para separar los componentes de una mezcla líquida. Incluye el retorno de una parte del vapor condensado al equipo, de tal manera que el líquido que se regresa entra en contacto íntimo a contracorriente con los vapores que se dirigen al condensador. Este tipo de destilación es continua y permite manipular grandes cantidades de materiales y el reflujo hace posible alcanzar purezas elevadas en los productos destilados. En la Destilación fraccionada el proceso se realiza en multi-etapas por medio de una columna de destilación en la cual, se llevan a cabo continuamente numerosas evaporaciones y condensaciones. Al ir avanzando a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes. Dentro de estas columnas se encuentran platos con perforaciones o empaques de cerámica para un mayor contacto líquido-vapor. El material de alimentación que se debe separar en fracciones se introduce a uno de los puntos a lo largo de la columna, preferiblemente donde la composición sea parecida. Debido a la diferencia de gravedad entre la fase de vapor y la líquida, el líquido corre hacia debajo de la columna mientras el vapor asciende por la columna, para entrar en contacto íntimo con el líquido en cada uno de los platos. El líquido que llega al fondo de la torre se vaporiza en un rehervidor calentado para proporcionar vapor que asciende por la columna. El resto del líquido se retira como producto de fondo. El vapor que llega a la parte superior (tope) se enfría y condensa como líquido en el condensador superior. Parte de este líquido regresa a la torre en forma de reflujo, para
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proporcionar un derrame de líquido. El resto de la corriente superior se retira como producto destilado o de tope. Este patrón de flujo en el tope de la columna proporciona un contacto, a contracorriente de las corrientes de vapor y líquido, en todos los platos de la columna. Ambas fases en un plato dado se acercan a los equilibrios de temperatura, presión y composición hasta un punto que depende de la eficiencia del plato de contacto. La separación general que se logra entre el producto de tope y el de fondo depende primordialmente de las volatilidades relativas de los componentes, el número de platos de contacto y de la relación de reflujo de la fase líquida a la de vapor. Si la alimentación se introduce en un punto situado a lo largo de la columna, esta se dividirá en una sección superior, que se denomina frecuentemente rectificación, y otra inferior llamada agotamiento. Los procesos de transferencia de masa y energía en una columna real de destilación son demasiado complicados para poder modelarlos con facilidad en forma directa. Esta dificultad es superada a menudo mediante el modelo de etapa de equilibrio. Por definición, la corriente de vapor y la de líquido que salen de una etapa están en equilibrio completo entre sí y se pueden usar relaciones termodinámicas para relacionar las concentraciones de las dos corrientes en equilibrio. El empleo del concepto de etapa en equilibrio separa el diseño de columna en 3 partes principales:1) los datos y los modelos termodinámicos que se requieren para predecir las composiciones del equilibrio, 2) cálculo del número de etapas de equilibrio que se requieren para lograr una separación específica o la separación que se obtendrá con un número de etapas de equilibrio dado, 3) el número de etapas de equilibrio se debe convertir en un número equivalente de platos reales de contacto.
Figura 1. Esquema de la columna de destilación continua Método De McCabe – Thiele: Líneas de operación: Este método, aunque menos riguroso que el de Ponchon y Savarit, se basa como ya se ha dicho anteriormente en la representación de las ecuaciones de balance de materia como las líneas de operación en el diagrama x-y. Las líneas se hacen rectas (y se evita 7
la necesidad del balance de energía) mediante la suposición de que hay un derrame molar constante. Se supone que el flujo de la fase liquida es constante de bandeja a bandeja en cada sección de la columna entre el punto de alimentación y el de producto. Si el flujo del líquido es constante, el flujo del vapor tendrá que ser también constante. La suposición del derrame molar constante representa varias suposiciones, siendo la más importante de estas es la de calores molares de vaporización iguales para los dos componentes. Las otras suposiciones son la de que la operación tiene que ser adiabática y que no hay efectos de calor de mezcla o de calor sensible. Esto se ilustra mejor en la Fig. 1 (Pág. 13-29 Perry):
Fig.1 dos envolventes de balance de materiales destilación
en la sección superior de una columna de
Que muestra dos envolventes de balance de materiales que cortan la sección superior (por encima de la alimentación superior o la corriente lateral) de la columna. Si se supone que la velocidad Ln+1 es idéntica a Ln-1, entonces se tendrá que V n = V n-2 y el balance de materiales de componentes para los dos envolventes 1 y 2 se puede representar por medio de:
y n = (L/V) X n+1 + (D XD/V)
(Ec. 1)
Donde y y x tienen subíndices de etapa n o n+1 pero L y V se deben identificar sólo con la sección de la columna a la que se aplican. La Ecu (anterior colocar Nº)tiene la forma analítica de una línea recta; L/V es la pendiente y D XD/V es intersección y en X 1 = 0.
El efecto del punto de retiro de una corriente lateral se ilustra en la fig (13-29). La ecuación de balance de materiales para la sección de la columna por debajo de la corriente lateral es 8
y n
L´ V ´
x n
1
Dx D
SxS
(Ec. 2)
V ´
Donde los apóstrofos distinguen L y V debajo de la corriente lateral, el balance para la sección por debajo de la alimentación sería: y n
L´ V ´
x n 1
Dx D Fx F V ´
(Ec. 3)
Se pueden escribir ecuaciones similares para la sección del fondo de la columna. Para la envolvente que se muestra en la fig 13-30,
(Ec. 4)
y m = (Ln /V n )x m+1 – (Bx B /V)
Donde se utiliza el subíndice m para identificar el número de la etapa en la sección del fondo. Las ecuaciones como la 1 a la 4, cuando se trazan en el diagrama x-y, proporcionan un juego de líneas que se denominan de operación. Un punto en la línea de operación representa dos corrientes que pasan, y la línea de operación misma es el sitio de todos los pares posibles de corrientes de paso dentro de la sección de la columna a que se aplica la línea. Se puede localizar una línea de operación en el diagrama x-y si:
1) se conocen puntos de la línea 2) se conoce un punto y la pendiente. Los puntos conocidos en una línea de operación suelen ser su intersección con la diagonal x-y o su intersección con otra línea de operación.
La pendiente L/V de la línea de operación se le denomina razón de reflujo interno . Esta razón, en la ecuación de la línea de operación para la sección superior de la columna se relaciona con la razón de reflujo externo R = NN+1 /D por medio de
L V
L N 1 V N
RD
1 R D
R 1 R
(Ec. 5)
Cuando la corriente de reflujo L N+1 es un líquido saturado.
Condición Térmica de la Alimentación. 9
La pendiente de la línea de operación cambiara siempre que pase una alimentación o una corriente lateral Para calcular este cambio es conveniente introducir una cantidad q que se define mediante las ecuaciones que siguen para una corriente de alimentación F: L´ = L + qF
(Ec. 6 )
V = V´ + (1 - q) F
(Ec. 7)
Los apóstrofos denotan las corrientes por debajo de la etapa en que se introduce la alimentación. La q es la medida de la condición térmica de la alimentación y representa los moles de líquido saturado que se forman en la etapa de alimentación por mol de material alimentado. Tomándose los siguientes valores para las diversas condiciones térmicas posibles de la alimentación: Condiciones térmicas de la Alimentación
q q q-1
Líquido Sub-enfriado
>1
(+)
Líquido Saturado
1
()
Mezcla (líquido + vapor)
1>q>0
(-)
Vapor Saturado
0
(0)
Vapor Sobre Calentado
< 0
(+)
El valor de q para una alimentación dada se puede estimar a partir de : q = energía para convertir 1 mol de alimentación en vapor saturado calor molar de vaporización La línea q se utiliza para deducir la ecuación de línea q para una alimentación o una corriente lateral. La línea q de la alimentación es el sitio de intersección de todos los puntos de las dos líneas de operaciones que se encuentran en la etapa de alimentación o corriente lateral. Esta intersección se debe producir a lo largo de la sección de la línea q entre la curva de equilibrio y la diagonal x = y. En el punto de intersección el mismo punto x, y debe satisfacer tanto la ecuación de la línea de operación por encima de la etapa de la alimentación. Al restar una ecuación de la otra se tiene, para una etapa de alimentación (V – V´)y = (L – L´) x + F x F
que, cuando se combina con las ecuaciones 6 y 7, da la ecuación de la línea q y
x x F q 1 q 1 q
(Ec. 8) 10
Etapas Mínimas: En la figura Nº 3 se muestra una columna que funciona a reflujo total. Se ha cargado una cantidad suficiente de material en la columna para llenar el rehervidor, las bandejas y el acumulador de condensado superior hasta sus niveles de trabajo. A continuación, se hace funcionar la columna sin alimentación y toda la corriente del domo es condensada de regreso como reflujo (LN+1= VN y D= 0). Asimismo, todo el líquido que llega al rehervidor se vaporiza y regresa a la columna como vapor. Puesto que F, D y B son cero, L N+1= V N en todos los puntos de la columna. Con una pendiente igual a la unidad (L/V= 1,0), la línea de operación debe coincidir con la diagonal a través de la columna. La operación de reflujo total da el número mínimo de etapas que se requieren para efectuar una separación específica entre XB y XD. Reflujo Mínimo: La razón de reflujo mínimo se define como la razón que, si se disminuye en una cantidad infinitesimal, necesitaría un número infinito de etapas para lograr una separación especificada entre dos componentes. El concepto sólo tiene sentido si se especifica una separación entre dos componentes y no se da el número de etapas. En la figura Nº 4 se ilustra la condición de reflujo mínimo. Conforme se reduce la razón de reflujo, las dos líneas de operación oscilan hacia arriba, pivoteando en torno a los valores especificados entre XB y XD, hasta que uno de ellos o los dos toquen la curva de equilibrio. Para curvas de equilibrio con la forma de la que se muestra, el contacto se produce en la línea q de alimentación. Con frecuencia, una curva de equilibrio descenderá más cerca de la diagonal a concentraciones más altas. En esos casos, la línea de operación con la curva de equilibrio produce un punto de acumulación que contiene un número muy grande de etapas y se forma una zona de composición constante. Método de Etapa de Equilibrio: En muchos procesos de transferencia de masa se juntan dos fases por un breve tiempo y después se separan. Las dos fases de una etapa no se encuentran en equilibrio, debido a un tiempo de contacto insuficiente o una dispersión inadecuada de las dos fases en etapa. Como resultado el cambio de composición para cada fase en una etapa real, es por lo general menor que el posible en una etapa de equilibrio. El primer paso en este método es calcular las composiciones de fase que hubieran resultado si el equilibrio hubiera sido completado durante el tiempo en que las fases
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estuvieron en contacto. Se aplica entonces un factor empírico de eficiencia de etapa para tener en cuenta que el equilibrio real no se realizó en realidad. Si bien el modelo físico de una etapa de equilibrio es conveniente para los cálculos antes de construir un equipo de multietapas, el número resultante de etapas de equilibrio debe relacionarse con el número de etapas reales. La relación se expresa por lo general como una eficiencia de etapa. Se han definido varias eficiencias para expresar la imposibilidad de alcanzar el equilibrio en una etapa real. La operación de una etapa real depende de muchas variables físicas. La etapa debe poner en contacto íntimo dos fases y después separarlas. Un contacto más íntimo y un tiempo de contacto mayor, originan una mayor tendencia al equilibrio en las corrientes de salida. Entre las variables que afectan se incluyen el área interfacial entre las fases, la velocidad de transferencia (por unidad de área) de los componentes dependen a su vez de las características de construcción de las etapas, las propiedades físicas de las fases y las velocidades de flujo. Debido al efecto complejo de todas estas variables, no es posible hacer una predicción puramente teórica de las eficiencias de etapa. La eficiencia que se emplea con mayor frecuencia se define simplemente como el cociente entre el número de etapas de equilibrio calculado, para una separación específica y el número de etapas reales que se necesitan para la separación. Esto se conoce como Eficiencia Global. Eo = Número de etapas de equilibrio calculadas Número de etapas reales que se requieren
Aunque es permisible reportar un número fraccionario de etapas de equilibrio, es obvio que sólo puede construirse un número entero de etapas reales. La eficiencia global es fácil de utilizar en el cálculo, pero de poca luz sobre las variables físicas que determinan su valor. Una eficiencia con mayor fundamento teórico puede conducir a correlaciones empíricas más adecuadas.
Las Eficiencias de Etapa de Murphree, (4) describen la eficiencia de una sola etapa. Originalmente se definieron para la destilación, pero pueden aplicarse con facilidad a otras operaciones de etapas.
La eficiencia de Murphree se define como:
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EV = Yn - Yn+1 Yn* - Yn+1
Donde: Yn: concentración real de la fase de vapor que sale del plato n. Yn+1: concentración real del vapor que entra en el plato n. Yn*: concentración del vapor en equilibrio con el líquido que sale por el tubo de bajada procedente del plato n.
La eficiencia de líquido de Murphree se define por:
EL = Xn-1 - Xn Xn-1 - Xn*
Donde: Xn: concentración real de la fase de liquido que sale del plato n. Xn-1: concentración real del líquido que entra en el plato n. Xn*: concentración del líquido en equilibrio con el vapor que sale por el tubo de bajada procedente del plato n. Las eficiencias de etapa de Murphree pueden exceder de 1.0 cuando existen condiciones cercanas al equilibrio en todos los puntos de la etapa, por ejemplo: en la destilación, la composición Yn* está en equilibrio con X n, que es la composición más baja del componente más volátil (a) en la etapa. Entonces, Y n* puede ser menor que Y n, debido a que ésta última es un promedio de todas las Y a través de la etapa. La eficiencia de etapa de Murphree puede emplearse para calcular el número de etapas reales que se requieren para una separación específica. Relación entre las eficacias de Murphee y global. Existe una relación definida entre la eficiencia global Eo y la eficacia de Murphee E V,L cuando, tanto la línea de equilibrio como la línea de operación, son rectas. Esta relación es:
E O
log 1 EV ,L (mV / L 1) log( mV / L)
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Donde: m: pendiente de la curva de equilibrio V/L: relación vapor-liquido Las eficiencias de etapa de Murphree pueden exceder de 1.0 cuando existen condiciones cercanas al equilibrio en todos los puntos de la etapa, por ejemplo: en la destilación, la composición Yn* está en equilibrio con X n, que es la composición más baja del componente más volátil (a) en la etapa. Entonces, Y n* puede ser menor que Y n, debido a que ésta última es un promedio de todas las Y a través de la etapa. La eficiencia de etapa de Murphree puede emplearse para calcular el número de etapas reales que se requieren para una separación específica.
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MARCO METODOLÓGICO
Materiales y Equipos
Torre de Destilación. Marca: Scott EngineeringSciences.
Agua Destilada.
Metanol.
Termocuplas.
Selector de Termocuplas.
Indicador digital de Temperatura.
Indicador de Voltaje.
Indicador de Amperaje.
Refractómetro. Marca: AbbeRefractometer.
Condensador.
Rehervidor.
Indicador de Nivel del Rehervidor.
Panel de Control.
Tuberías, válvulas y conexiones.
Tanque de Alimentación.
Tambor de Condensado.
Bombas.
Rotámetros.
Termómetro.
Barómetro.
Vasos de precipitado.
Viales.
Bata de laboratorio, lentes de seguridad, guantes de látex y máscara anti-orgánicos.
Papel tipo Toallín.
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Descripción del equipo El equipo de Destilación utilizado en la práctica consta de una Torre de Destilación (Marca: Scott EngineeringSciences), la cual tiene conectadas la línea de alimentación, que presenta una bomba y un rotámetro, y la línea de reflujo, la cual presenta una bomba, un rotámetro y un precalentador; la Torre además, tiene acoplada en su sección inferior un Rehervidor, el cual consta de una resistencia que proporciona la energía necesaria para generar los vapores. De la sección superior de la Torre sale el producto de tope, el cual pasa a través de un Condensador (cuyo caudal de agua de enfriamiento es controlada con un rotámetro), y luego cae al Tambor de Condensado. Tanto el Rehervidor como el Tambor de Condensado constan de válvulas de drenaje para la toma de muestra de los productos de tope y fondo. Así mismo los platos perforados de la Torre presentan conexiones para la toma de muestra. Se dispone también, de Termocuplas, las cuales se encuentran ubicadas a lo largo del equipo (platos, línea de condensado, rehervidor, alimentación, salida y entrada de agua al condensador), un selector de Termocuplas, un indicador digital de temperatura, un indicador de amperaje y un indicador de voltaje. Aparte del equipo de Destilación, se utiliza un Refractómetro (Marca: AbbeRefractometer), el cual presenta un porta muestra, una perilla de encendido, lámpara, y un visor. Es utilizado para obtener los índices de refracción (IR) de las muestras obtenidas, los cuales son utilizados para entrará a la Curva de Calibración del refractómetro para el sistema Metanol-Agua y así poder determinar la composición del Metanol en las muestras.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1.- Inicio del Proceso de Destilación. 1.1 Verificar que la brequera esté en ON. 1.2 Verificar que el botón HS-306 esté en AUTO. 1.3 Verificar que las válvulas de drenaje estén cerradas. 1.4 Alimentar el agua de Hidrolago. 1.5 Colocar la alimentación en la conexión rápida QC-307. 1.6 Ajustar el flujo de agua hacia el condensador a través del rotámetro FC-303 en un valor que debe ser suministrado por el Profesor. 1.7 Ponga en servicio la resistencia del rehervidor E-303 con el botón HS-302.Comenzar a leer las temperaturas de todas las termocuplas desde el momento de puesta en servicio del rehervidor cada 2 minutos durante toda la práctica. Anotar en la Tabla Nº1 de la hoja de toma de datos. PRERREQUISITO: Antes de comenzar el calentamiento verifique que la válvula de rebosadero del tambor de cabecera (HV-306) esté abierta para permitir la salida de líquido hacia el tambor de alimentación en caso de nivel muy alto. PRECAUCIÓN: En caso de que la resistencia del rehervidor llegue a 240ºC, la resistencia se disparará para evitar falla térmica, y solo podrá ser habilitado nuevamente a través del reset local (HS-308). Debe tener cuidado de no rebosar el rehervidor. En caso de muy alto nivel, el flotador (LG301) enviara señal al panel de control para abrir la solenoide (SV-301). NOTA: El condensador (E-304) consta de una válvula de alivio de presión (PSV-301) que se utiliza en caso de que la presión dentro del condensador sea muy alta. Esta ajustada a 1 psig.
2.- Alcanzar la Especificación del Producto de Tope a Reflujo. 2.1 Se espera que alcance el nivel de operación en el tambor de condensado y se abre la válvula HV-305. 2.2 Poner en servicio la bomba P-302 a través del botón HS-304. 2.3 Controlar el nivel del tambor de condensado con la válvula HV-305 a través del Rotámetro FC-302. 2.4 Después de 20 min de encendida la bomba de reflujo (P-301) tomar la primera muestra solo del tope y ver si esta en especificación.
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2.5 Ir tomando las siguientes muestras en intervalos de tiempo que serán indicados por el Profesor y chequear que la composición de tope tenga la especificación dada también por el Profesor. Anotar todas estas composiciones en la Tabla Nº2 hoja de toma de datos. NOTA: Si la composición de tope es menor que la especificación se debe aumentar el reflujo para entrar en especificación. Si la composición de tope es mayor que la especificación se debe disminuir el reflujo para no hacer regalías de calidad. Recuerde que los cambios son de 2% en 2% y se debe esperar la respuesta del sistema a los cambios efectuados.
3.- Admisión de Carga Fresca a la Torre.
3.1 Si la composición en el tope es la adecuada, ponga en servicio la bomba de alimentación (P-301) con el botón HS-303. 3.2 Ponga en 30% el rotámetro FC-301 y aumente cada 5 minutos 30% hasta llegar a 90%. 3.3 Ponga en servicio los precalentadores E-301 y E-302 con los botones HS-305 y HS-307 respectivamente. 3.4 Abra la válvula de drenaje del rehervidor y controle el nivel del interno del mismo con la salida de producto de fondo hacia un recipiente. 3.5 Abra la válvula del drenaje del tambor de condensado (V-301) y controle el nivel del tambor con la salida de producto de tope. 3.6 Tome muestras en el tope cada 2 minutos y ajuste el flujo de reflujo de acuerdo a la composición. Anotar en la Tabla Nº3 de la hoja de toma de datos. 3.7 Al momento de encender la bomba de alimentación (P-302 ) se toman muestras del fondo y de cada plato en las conexiones para toma de muestra SC-301, SC-302, SC-303, SC-304, SC-305 y SC-306 también se toman estas muestras cada vez que se varia el %Rotámetro de alimentación (0,5, 10,15 min). Anotar en la Tabla Nº 4 de la hoja de toma de datos.
4.- Parada del Proceso de Destilación. 4.1 Sacar de operación la resistencia del rehervidor (E-303) y las resistencias de los precalentadores (E-301 y E-302 respectivamente), con las válvulas HS-302, HS-305 y HS-307 respectivamente. 4.2 Sacar de operación la bomba de alimentación con el bo tón HS-303. 4.3 Parar la recolección de producto de fondo y de tope, cerrando las válvulas de drenaje del tambor de condensado y del rehervidor. 4.3 Cerrar el rotámetro de alimentación (FC-301), el rotámetro de reflujo (FC-302) y el rotámetro de agua (FC_303). 18
4.4 Quitar el agua de Hidrolago y la electricidad. NOTA: La fuga del rotámetro es producto de tope, por ello se debe tratar de almacenar luego de entrar en especificación para ser contabilizado como tal. Por otra parte lo restante de las muestras de tope también debe almacenarse para contabilizarse como producto de tope.
5.- Análisis de las muestras y Cálculos de su composición.
5.1 Mida la temperatura, volumen y composición de los productos de tope y de fondo total producidos. Anote en la Tabla Nº6 de la hoja de toma de datos. 5.2 Espere que las muestras alcancen la temperatura ambiente, para que de esta forma el equipo no sufra daños. 5.3 Lave con agua destilada el porta muestra del refractómetro. Seque bien con toallín el porta muestra. Coloque cada una de las muestras en el vidrio del equipo. Coloque la perilla de e la lámpara al porta muestra. Observe por el visor y ajustar hasta que la mirilla se nivele con la interfase. Presione el botón (READ) para obtener el índice de refracción de la muestra. Tome nota del índice de refracción para cada muestra. 5.4. Con los valores obtenidos por el equipo se entra a la curva de calibración para el sistema Metanol-agua, y se obtienen las fracciones de metanol.
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DATOS EXPERIMENTALES
Tabla Nº 1 Datos iniciales. Mezcla Temp Ambiente Presión Atmosférica Amperaje Voltaje
Metanol-Agua 25 ºC 760 mmHg 9,5 Amp 209 V
Tabla Nº 2 Temperaturas de los distintos puntos del equipo durante toda la práctica.
Tiempo(min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54
T1 41 48 55 72 76 77 79 79 79 74 73 73 73 71 71 71 72 72 71 72 75 76 77 74 78 76 70 70
Temperaturas a través de las termocuplas(ºC) T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 28 24 22 22 22 24 24 22 30 24 22 22 22 24 24 23 33 26 23 22 22 24 24 23 68 64 47 23 22 30 25 24 74 71 70 64 29 31 29 29 76 75 70 73 32 29 29 33 78 77 77 74 75 32 29 37 79 78 78 75 76 33 29 38 79 77 76 71 68 35 30 38 72 70 70 68 69 32 29 38 71 70 69 68 69 33 34 36 71 70 70 68 68 33 24 36 71 69 69 67 67 32 24 36 70 69 68 66 67 32 24 36 70 68 68 66 66 33 24 36 70 68 68 66 66 33 24 37 70 68 68 66 66 33 24 40 70 68 67 65 65 33 24 39 69 68 66 65 65 34 24 39 70 67 66 65 66 35 24 40 72 69 67 66 66 33 28 41 73 71 69 67 67 33 28 40 73 72 71 69 69 32 28 37 77 73 74 71 70 33 28 38 77 73 72 68 67 33 24 37 71 68 67 66 66 33 24 40 69 67 66 66 66 33 24 40 69 67 66 66 66 33 24 40
T10 22 21 22 22 22 22 22 22 23 26 28 31 32 33 33 36 36 43 63 65 65 65 65 65 66 66 66 66
T11 22 21 22 22 22 22 22 22 23 23 28 23 23 22 22 23 22 31 58 71 67 64 58 58 55 55 55 55
T12 69 78 79 80 81 81 81 81 82 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81
20
Tabla Nº 3. Composición de Tope antes de alcanzar la especificación.
Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiempo (min) 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
IR Tope 1,3339 1,3339 1,3343 1,3333 1,3307 1,3302 1,3303 1,3301 1,3291 1,3291
Composición 81 81 78 82 86 92 93 93 97 97
Composición deseada= 0,97
Tabla Nº 4 Composición de Tope luego de alcanzar la especificación. Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tiempo (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
IR Tope 1,3286 1,3280 1,3275 1,3279 1,3278 1,3283 1,3280 1,3282 1,3284 1,3283 1,3283 1,3297 1,3297 1,3301 1,3301 1,3303 1,3201 1,3247 1,3243 1,3281
Composición 98 99 99 100 99 98,5 98,5 98 95 95 94 94 93 94 95 97 92
% Rotámetro Reflujo 35 35 35 35 35 35 20 20 20 20 20 40 40 40 50 50 50 50 50 35
21
Tabla Nº 5 Composición de los platos y el fondo luego de alcanzada la especificación deseada. Tiempo (min) 0 5 10 15 20
Fondo IR Xd
P1
P2
P3
P4
P5
P6
IR
Xd
IR
Xd
IR
Xd
IR
X
IR
Xd
IR
Xd
1,34
23
1,31
96
1,32
95
1,32
95
1,32
86
1,32
80
1,51
71
1,33
14
1,32
91
1,32
96
1,32
94
1,33
87
1,33
78
1,51
51
1,34
23
1,33
99
1,32
96
1,32
95
1,33
82
1,33
69
1,53
57
1,33
21
1,33
94
1,33
93
1,32
97
1,35
77
1,33
81
1,53
55
1,34
23
1,32
96
1,32
95
1,33
95
1,35
80
1,33
75
1,53
71
Tabla Nº 6 Composiciones de las corrientes de tope, fondo y alimentación. Corriente Alimentación Tope Fondo
Temperatura (ºC) 53 40 81
IR 1,3408 1,3291 1,34
Composición % 28 97 23
Para el tope será el volumen recolectado sobre el tiempo del proceso. Volumen= 570ml
Tiempo= 20min
Para el fondo será el volumen recolectado sobre el tiempo del proceso. Volumen= 1307ml
Tiempo= 20min
22
RESULTADOS Y DISCUSIÓN:
Tabla Nº 7 Flujos molares experimentales y teóricos, y porcentajes de error Corriente Alimentación Tope experimental Fondo experimental Reflujo Agua del Condensador Tope teórico Fondo Teórico
Flujo (Kmol/s) 6,1065E-05 2,42028E-05 4,32E-05 3,7990E-05 4,172E-03 4,2E-06 5,60E-05
%Error Flujo destilado
Flujo residuo
100
22,94
Los flujos molares experimentales de cada corriente fueron calculados a partir de los porcentajes de rotámetro y las densidades de la mezcla presente mientras que los flujos molares teóricos fueron determinados a partir de un balance de materia en la columna. En la tabla Nº 7 se muestran los flujos teóricos y experimentales para la corriente de tope y fondo, así como también los flujos molares de la corriente de alimentación, la corriente de reflujo y la corriente de agua que entra al condensador. Los porcentajes de error calculados para las corrientes de tope y fondo fueron de 100% y 22,94%, respectivamente. Estos porcentajes de error indican que hubo pérdidas de materia durante el proceso de destilación llevado a cabo en el laboratorio. Estas pérdidas haber sido al momento de medir los volúmenes de producción del tope y fondo en el laboratorio. Tabla Nº 8 Calor aportado por el rehervidor, retirado por el condensador y perdido. Ubicación Calor del rehervidor Calor del condensador Calor del destilado Calor del fondo Calor perdido Porcentaje de calor perdido
Calor (KJ/s) 1,9855 1,2550 0,0132 0,3545 0,611 30,77
Como se observa en la siguiente tabla la mayor cantidad de calor que se aporta el sistema es proporcionado por el rehervidor como era de esperarse, también se muestran todos los calores aportados por el sistema comprobándose de esta manera el principio de conservación de energía, en lo que respecta a las pérdidas de energía son bastante pequeñas y esto nos 23
indica que hay fallas presente en el material aislante del rehervidor lo cual no permite que el proceso se realice adiabáticamente; lo que implica mayor consumo de energía y también una elevación en los costos. Tabla Nº 9. Valores de eficiencias de Murphree para cada plato.
P1
Xn 0,96
Xn-1 0.97
Xn* 0,92
EML(%) 20
P2
0,95
0.96
0,91
20
P3
0,93
0.96
0,89
42,85
P4
0,86
0,93
0,86
100
P5
0,75
0,80
0,68
41,66
P6
0,71
0,75
0,61
28,57
Tabla Nº 10. Eficiencias globales. Método
Eficiencia Global
McCabe-Thiele
100%
Fenske
39,71%
Tabla Nº 11. Relaciones de reflujo Rope
1,0232
Rmin
0,8653
R/Rmin
1,1824
La relación de reflujo de operación es mayor que la relación de reflujo mínimo. Esta relación de trabajo es muy buena porque de acuerdo con la literatura ( Operaciones de transferencia, Robert treybal ) una torre de destilación debe operar a una relación de reflujo por encima de la relación mínima para llegar a lograr la separación óptima. Por otra parte se puede decir que la eficiencia de la columna es muy buena, esto se debe a que la mezcla metanol-agua es muy fácil de separar, debido a la volatilidad del metanol.
24
1
platost eo
0.9
equilibr io
0.8
y=x
0.7 lineaen rriquesi da linealim entada
) 0.6 r a l o 0.5 m n ó i c 0.4 c a r f ( Y 0.3
lineagot ada tope
0.2
fondo
0.1 Rmin 0 0
0.2
0.4
0.6
X(fracción molar)
0.8
1
Fig Nº 1. Método de McCabe – Thiele. Platos teóricos y reflujo mínimo.
1 0.9 0.8
platosreales equilibrio
0.7
x=y
0.6
lineatope 0.5
lineafondo
0.4
linealimentacion
0.3
lineaenrriquesida lineagotada
0.2
pseudoequilibrio
0.1 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Fig Nº 2. Platos reales y curva de pseudoequilibrio.
25
En la figura Nº 1 están representados los platos teóricos y las líneas de operación. Los platos teóricos fueron obtenidos a partir de la aplicación del método de McCabe – Thiele, del cual se pudieron obtener 7 etapas de equilibrio, es decir 6 platos teóricos y un rehervidor. En la figura nº 1 están representadas a su vez la línea de alimentación, de enriquecimiento y la de agotamiento. La línea de alimentación posee una cierta inclinación hacia la derecha, lo que es perfectamente lógico en este proceso ya que la condición termodinámica de ésta es la de líquido subenfriado o liquido comprimido, lo que cual está respaldado con el cálculo realizado para la determinación del punto de burbuja. La curva de Pseudoequilibrio fue trazada (figura Nº 2) y se lograron determinar los platos reales del sistema, resultando en 6 platos reales y un rehervidor. Las eficiencias calculadas se pueden observar en la tabla Nº 10. La eficiencia calculada co n el método de McCabeThiele es mayor que la eficiencia calculada con el modelo d Fenske. Estas eficiencias teóricas globales muestran porcentajes altos comparados con las reales, lo que quiere decir que la eficiencia es mediana. Un motivo lógico para estos resultados son las pérdidas de calor las cuales disminuyen la eficiencia del proceso.
90 Plato 6 80
Plato 5
70
Plato 4 Plato 3
60 Plato 2
C º ) ( 50 a r u t a r e p 40 m e T
Plato 1 SalidaAguaConden sador EntradaAguaCond ensador Condensado
30 20
SalidaReflujo
10
EntradaAlimentaci on Rehervidor
0 0
10
20
30 Tiempo (Min)
40
50
60
Fig Nº 3. Tendencias de temperaturas
26
Se puede observar en la figura Nº 3 que las temperaturas de los platos tienen una tendencia semejante ya que esta comienza de una manera lineal luego tiene una subida abrupta hasta un punto máximo luego cae un poco y esta se estabiliza hasta el tiempo final. En el rehervidor la temperatura sube hasta llegar a un punto de estabilización. En lo que respecta a la entrada y salida de agua del condensador y el condensado la temperatura se mantiene con pequeños altos y bajos pero bastante estables. Se puede observar que a medida que la Termocupla se ubica más cerca de la resistencia del rehervidor, el valor de la temperatura aumenta debido al fraccionamiento de los compuestos que absorben cierta cantidad de energía dependiendo a la composición de la mezcla en cada punto, a mayor cantidad de metanol la temperatura es menor ya que es el más liviano. 120 100 l 80 o n a t 60 e M %
Tope Fondo
40 20 0 0
5
10 Tiempo (min)
15
20
Fig Nº 4. Tendencias de composiciones. La figura Nº 4 representa el perfil de composición en el tope y fondo de la c olumna. Las composiciones del fondo se mantuvieron constantes en 20% con ciertas variaciones durante todo el proceso de operación de la columna, mientras que las composiciones de tope tuvieron una ligera variación en su comportamiento constante que se explica con el afán de conseguir la especificación del proceso y luego mantenerla.
27
90
120
80
100
70 ) 60 C º ( a 50 r u t a 40 r e p 30 m e T
80 60 40
20 10 0 0
1
2
3
Etapas
4
5
6
7
n ó i c i s o p m o C
20
Temperatura
0
Composición
Fig Nº5. Perfiles de temperaturas y composiciones. La figura Nº 5 representa los perfiles de temperatura y composición en la columna, respectivamente. En el perfil de composición se observa una disminución constante de la misma a lo largo de las etapas del proceso, es decir, desde el tope hasta el fondo, lo cual era lo esperado. En el perfil de temperatura se observa una variación brusca entre platos 1 y 2 debido a problemas hidráulicos en la columna que condensaba parte del líquido en el plato 1 y lo enfriaba.
28
CONCLUSIONES
Al realizar todos los cálculos y analizarlos, se puede concluir que se alcanzó todos los objetivos propuestos en la práctica ya que se logró evaluar la eficiencia de una torre de platos perforado a través de una destilación binaria continua colocada en reflujo total. Se determinó el balance de masa, dando como resultado que la suma de los flujos de salida es igual que el flujo de entrada, por esta razón podemos afirmar que no existe escape en las líneas dándonos el balance de masa óptimo. Luego realizamos los cálculos para determinar qué cantidad de energía se perdía, para esto se realiza un balance de energía en la columna. El proceso no ocurre adiabáticamente ya que no logran cumplir todos los requerimientos, esto se debe a que los datos obtenidos son de una planta piloto o de pequeña escala, le logra evidenciar que ocurren perdidas de calor, esto es muy importante a nivel industrial ya que estas pérdidas de calor generan gastos. A través de la gráfica Nº 1, donde aplicamos el método de McCabe-Thiele, determinamos las etapas teóricas, la aplicación de este método de suma importancia ya que se logra representar de una forma general las condiciones ideales del proceso. Los resultados que obtenemos de la gráfica no logran suministrar el comportamiento real del sistema debido a que no involucran todos los factores que influyen. El proceso de destilación continua tiene una eficiencia del 100% porque el número de platos reales es igual al número de platos teóricos. El líquido de la alimentación es líquido comprimido ( q>1).
29
RECOMENDACIONES
Uso de máscaras durante todo el proceso, y hacer insistencia en este punto, para evitar posibles daños a la salud de los alumnos.
Identificar adecuadamente los viales utilizados para cada muestra tomada durante la práctica, para así evitar confusiones a la hora de analizar las muestras y plasmar los resultados correctos. Esto se puede hacer con tirro.
Limpiar el porta-muestra cada vez que se vaya a utilizar en una medición para evitar contaminaciones de la muestra.
Calibrar el refractómetro antes de las mediciones.
Seguir el número de las mediciones para evitar confusiones.
Usar métodos que consideren las pérdidas de energía como es el PonchotSavarit.
Para que no ocurra el lloriqueo se puede precalentar la alimentación, para que en vez de que entre líquido, o liquido subenfriado, entre un vapor sobrecalentado (q<0) aumentando así la presión y el flujo de gas que sube por la columna; también se puede extraer una corriente lateral de líquido, para que de esta manera disminuya el líquido sobre el plato.
Disminuir el porcentaje de rotámetro del reflujo parcial, para así obtener una relación de reflujo menor y que se aproxime más a la óptima.
30
BIBLIOGRAFÍA
Treybal, Robert. 1988. Operaciones de Transferencia de Masa. 2ª Edición. Editorial McGraw-Hill.
PERRY, Robert H. Manual del Ingeniero Químico. Sexta Edición (Tercera, en español). Tomo IV. Mc Graw-Hill. México. 1992.
Mccabe, Warren; SMITH, Julian; HARRIOT, Peter. Operaciones unitarias en Ingeniería Química. McGraw-Hill. 4ta Edición.
http://es.wikipedia.org/wiki/Perfil.
http://es.wikipedia.org/wiki/Tendencia.
http://en.wikipedia.org/wiki/McCabe-Thiele_method.
FOUST, Alan S. Principios de Operaciones Unitarias. Segunda edición. Editorial Continental. México. 1990
Felder; Rousseau. 2007. Principios elementales de los procesos químicos. 3era Edición. Wiley.
31
APÉNDICE
1) Flujos Molares:
̇
1
Para la mezcla metanol-agua:
mezcla
xCH 3OH
( x H 3 0 )
CH OH
H O
3
2
Las densidades del agua y del metanol se calculan mediante una correlación obtenida del Perry’s Chemical Engineers Handbook:
Kmol 3 m
C 1 T ( k ) C 4 1 1 C 2 C 3
Los valores de las constantes para cada componente se obtienen de la Tabla 2- 30 del Perry’s Chemical Engineers Handbook: Tabla Nº 12 Valores de constantes para la ecuación Metanol C1 2,288 Agua C1 5,459 4,9669
Rango de temperatura(ºC) desde -90 hasta 240 Rango de temperatura(ºC) desde 0 hasta 60 desde 60 hasta 130
C2 0,2685
C3 512,64
C4 0,2453
C2 0,30542 0,2778
C3 647,13 647,13
C4 0,081 0,2534
Para la corriente de fondo, x=0.23 y T=354 K: CH OH 3
2,288
0,2685
H O 2
354 1 1 512 , 64
0 , 2453
22,84
4,9669 0, 2534 354 0,2778 1 1 647 , 13
Kmol m3
50 ,98
Kmol m3
32
Entonces, para la mezcla: 1
mezcla
0,23 22,84
kmol m3
0,97 50,98
kmol m3
39,96 kmol
m3
Caudal de fondo Q
1307ml 20 min
=
65,35ml min
x
1 L
1m3
x
1000ml 1000 L
x
1 min 60 s
=1,08E-6 m3/s
mfondo = 1,08E-6 m3/s x 34,36 kmol/m3 = 4,32E-5 kmol/s
2) Balance de Materiales y energía
F D B F Z F
D
x D
B
x B
6,10 10 5 0,28 0,97 D 0,23 B 1,708 10 5 0,97 D 0,23 B
Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene: D teórico 4, 2 10 6 Kmol / s
% Error
y
Bteórico 5,08 10 5 Kmol / s
Valor teórico Valor Experiment al Valor teórico
100
(5,08 10 5 4,32 10 5 )kmol / s *100 23,94% % Error 5 kmol s 5 , 08 10 / Balance de energía en el sistema: Q B D H D B H B QC Q L F H f Experimentalmente se tiene que:
Q B 209V * 9,5 A 1985 ,5Watts 1,9855 KJ / s
QC m Cp T 0,0751
Kg KJ * 4,178 4º C 1,2550 kJ s s kg º C
Para el sistema metanol – agua
H f x H Me tan ol x H agua
H i
T
T 0
C p i dT
33
Las constantes de la ecuación que relaciona la capacidad calorífica (Cp) de los compuestos con la temperatura se obtienen del libro de Felder y Rousseau: KJ a b T c T 2 d T 3 mol º C
C p
Para la alimentación: 53º C
H f 0,244
53º C
(75,86 10
3
5
16,83 10 T )dT 0,72
0
75,4 10 3 dT 4,0691
0
KJ mol
Para el fondo: 81º C
H B 0,23
81º C
(75,86 10
3
5
16,83 10 T )dT 0,77
0
75,4 10 3 dT 6,2428
0
KJ mol
Para el tope: 40 º C
H D 0,97
(75,86 10
40 º C
3
5
16,83 10 T )dT 0,03
0
75,4 10
3
dT 3,1645
0
KJ mol
Sustituyendo F, D, B, x f , xD, xB, Hf , HD, HB, Q C y Q B en el balance de energía, todos los calores en
Q L= 0,611kJ/s
valor absoluto y despejando Q L
3) Cálculo del porcentaje de calor perdido: %Q L
Q L
*100
Q B
0,611 1,9855
*100 30 ,77 %
4) Determinación de q y R Para determinar q se utiliza la siguiente ecuación: q
H G H f H G H L
Donde, HG es la entalpía del vapor saturado, H L es la entalpía como líquido saturado y H f es la entalpía de la alimentación. q
R
(45 4,0691 ) KJ / mol (45 5) KJ / mol
Re flujo m Tope m
1,0232
3,74 10 5 Kmol / s 2,1802 10 5 Kmol / s
1,7154
34
5) Trazado de las líneas de operación La línea de enriquecimiento se representa como: y n 1
R R 1
x n
x D R 1
1,7154 1,7154 1
xn
0,97 1,7154 1
y n 1 0,6317 x n 0,3572
La línea de alimentación se representa como: y
q q 1
x
z f
1,0232
q 1 1,0232 1
x
0,28
y 44,103x 12,068
1,0232 1
6) Número de platos teóricos Partiendo de xD en la recta x=y, se traza una línea horizontal hasta la curva de equilibrio. Desde el punto de corte se traza una vertical hasta cortar las líneas de operación, luego una horizontal en ese punto hasta la curva de equilibrio, y así sucesivamente hasta haber pasado la composición del producto residuo. Antes de la línea de alimentación, se trabaja con la línea de operación superior, y después con la línea de operación inferior. De esta manera se obtienen 7 escalones, los cuales representan 7 etapas de equilibrio, 6 platos + 1 rehervidor. 7) Relación de reflujo mínima. Se traza una línea de operación superior (máxima) que pase por el punto de corte entre la línea de alimentación y la curva de equilibrio, y se lee el intercepto con el eje vertical. En este caso el intercepto es 0,52. Intercepto
Luego se utiliza la siguiente ecuación:
Despejando
Rmin=0,8653
R Rmin
x D Rmin 1
1,0232 0,8653
0,52
0,97 Rm in 1
1,1824
8) Cálculo de las eficiencias: Método de McCabe-Thiele E global
N º platosTeór i cos N º platos Re ales
E ML 3
7
E MLi
Método de Murphree
Por ejemplo, para el plato 3
7
100 100 100 %
x2 x3 x 2 x3*
x n 1 x n x n 1 x n*
*100
35
Para el cálculo de x n* se traza una línea vertical (x n-1) hasta cortar la línea de operación, luego, desde ese punto, se traza una horizontal hasta la curva de equilibrio y luego se baja verticalmente y se lee en el eje x el valor de x n*. E ML3
0,96 0,93 0,96 0,89
* 100 42,85%
Eficiencia de Fenske
)] [() (
∏
Para el cálculo de las Pº para cada componente en cada plato se utiliza nuevamente la ecuación de Antoine. Por ejemplo, para el plato 2: Constantes de Antoine: Metanol:
Agua:
A=7,87863
A=7,9655
B=1473,11
B=1668,21
C=230
C=228
Para el agua
Tabla Nº 13 Volatilidades relativa para cada plato. Etapa Plato #1 Plato #2 Plato #3 Plato #4 Plato #5 Plato #6 Rehervidor
T(ºC) 66 66 66 67 69 70 81
Pº H2O(kPa) 26,1585 26,1585 26,1585 27,3378 29,3951 31,1669 49,3196
Pº Metanol(kPa) 106,303 106,303 106,303 110,5570 119,3284 123,9271 184,8609
αAB
4,0671 4,0671 4,0671 4,0454 3,4985 3,4962 3,7486
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√ () [() ]
9) Determinación de las fracciones molares de metanol. Se calcularon entrando en la curva de calibración del refractómetro (anexo 1) con el valor de IR medido en el laboratorio, paralelo al eje x, hasta cortar la misma, luego verticalmente hacia abajo, hasta leer el % mol de metanol.
10) Construcción de la curva de equilibrio. A partir de los datos obtenidos de la tabla 13-1 del Perry’s Chemical Engineers Handbook, para el sistema metanol – agua, se construye la curva de equilibrio en un diagrama x vs y (anexo 2).
11) Construcción de la curva de pseudoequilibrio Se ubican sobre el eje x, las composiciones de cada uno de los platos a partir del punto que corresponde a la composición del destilado y que corte la vertical de la composición del plato 1, de esta manera se obtiene el primer plato. Luego, a partir de la composición del plato 1, trazar una horizontal (desde el eje y) que corte la vertical de la composición del plato 2, así sucesivamente, hasta llegar a la composición del rehervidor. Unir los puntos, y se obtiene la curva.
12) Tendencias y perfiles de temperaturas y composición en la torre Los perfiles de temperatura y composición se grafican: temperatura o composiciones en estado estacionario vs. las etapas de equilibrio en la columna. Las tendencias de temperatura y composición se grafican: temperatura a diferentes puntos de la columna o composiciones de tope y fondo vs. tiempo.
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ANEXOS
Curva de calibración del refractómetro para el sistema metanol-agua 1,3420
1,3400
1,3380
1,3360
D
1,3340
1,3320
1,3300
1,3280 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
% mol Me tanol
Anexo 1. Curva de calibración del refractómetro para el sistema metanol – agua.
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1 0.9 r 0.8 o p a v n0.7 e l o n0.6 a t e m e0.5 d l o m n0.4 ó i c c a r 0.3 F = y
0.2 0.1 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x = Fracción mol de metanol en el líquido
Anexo 2. Curva de equilibrio para el sistema metanol – agua.
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Anexo 3. Constantes de Antoine. Felder y Rosseau.
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