OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD II: DESTILACION FRACCIONADA METODO McCABE-THIELE Se va a fraccionar 1000 lb/h de una solución de acetona-agua, que contiene 25% en peso de acetona, a 1 atm de presión. Se desea recuperar el 99,5% de la acetona en el destilado a una concentración de 99% en peso. La alimentación se va a tener a 26,7 ºC y se va a precalentar mediante un intercambio de calor con el producto residual del fraccionador, que a su vez se va a enfriar a 51,7 ºC. Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37,8 ºC mediante agua de enfriamiento que entra a 26,7 ºC y sale a 40,6 ºC. El reflujo va a regresar a 37,8 ºC con una relación de R opt opt/R min min igual a 2.27. Se va a utilizar vapor de agua indirecto como medio de calentamiento en el rehervidor a 1.5 Kgf/cm 2. La torre va a estar aislada para reducir la perdida calorífica a valores despreciables. Calcule: a. El flujo y composición del destilado, reflujo y residuo, por hora b. La carga calorífica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora c. La entalpía de la alimentación al entrar en la torre y su condición térmica (expresada cuantitativamente) d. La carga calorífica del rehervidor y el flujo de vapor de agua , por hora e. Número de etapas a reflujo total f. El número de platos ideales requeridos si la alimentación se introduce en la ubicación optima. g. Ubicación del plato de alimentación y las composiciones del flujo de liquido y vapor en equilibrio h. El numero de platos reales si la eficiencia global es de 60% T, ºC Capacidad calorífica acetona, kJ/kg.ºc Calo Calorr late latent nte e evap evapor orac ació ión, n, kJ/k kJ/kg g
Solución: Esquema del proceso especificado
20 2,22 1013 1013
37,8 2,26 976 976
65,6 2,34 917 917
93,3 2,43 863 863
100 850 850
Calculo de las composiciones y flujos de la corriente de alimentación, destilado y residuo en unidades molares: PM Acetona = 58 kg/kmol
PM Agua = 18 kg/kmol
xF = 0,09375
xD = 0,9685 PMmezcla,F = 0,09375(58) + 0,90625(18) = 21,75 kg/kmol PMmezcla,F = 21,75 kg/kmol PMmezcla,D = 0,9685(58) + 0,0315(18) = 56,74 kg/kmol PMmezcla,D = 56,74 kg/kmol
F = 208,547 kmol/h
Trazando en la grafica x-y para acetona – agua el Rmin Obteniéndose el corte con el eje Y igual a XD / (R min +1) = 0.54 despejando queda R min = (XD /0.54) – 1 R min = (0,9685/0.54) – 1
R min = 0,7935
R opt = 2.27 (0.7935) = 1.801
R opt = 1,8
V = 20,086 kmol/h (1,8 + 1) = 56,2408 kmol/h V = 56,2408 kmol/h Calculo del flujo del reflujo, L: L = 1,8(D) = 1,8(20,086 kmol/h) = 36,1548 kmol/h
L = 36,1548 kmol/h , Xo = 0.9685
Balance de energía en el condensador: V.H V = L.hL + D.hD + qC
hL = hD condensador total
V (H V – hL) = V.λmezcla,V = qC Del gráfico: calor latente de mezcla vs. temperatura, se obtiene: λmezcla,V =
λ Mezcla
= 976 kJ/kg a T= 37.8 ºC
976 kJ/kg
qC = 56,2408 kmol/h (976 kJ/kg)(56,74 kg/kmol) = 3.114.516,52 kJ/h qC =3.114.516,52 kJ/h Calculo del flujo de agua de enfriamiento, magua: q = m
.CP,agua(T
– T
)
Calculo de las entalpias de cada una de las corrientes de entrada y salida de la columna: h = CP (T – Tref )
Tomando como Tref = 17,2 ºC
Del grafico: Cp vs. Composición(x,y) se obtienen los valores de las capacidades caloríficas, CP: CP,F = 4,020 kJ/kg.ºC (21,75 kg/kmol) = 87,435 kJ/kmolºC
CP,F = 87,435 kJ/kmolºC
CP,D = 2,26 kJ/kg.ºC (56,74 kg/kmol) = 128,2324 kJ/kmolºC
CP,D = 128,2324 kJ/kmolºC
CP,B = 4,1793 kJ/kg.ºC (18 kg/kmol) = 75,2267 kJ/kmolºC
CP,B = 75,2267 kJ/kmolºC
hF = 87,435 kJ/kmol.ºC (26,7 – 17,2)ºC = 830,6325 kJ/kmol
hF = 830,6325 kJ/kmol
hD = 128,2324 kJ/kmolºC (37,8 – 17,2)ºC =2641,5874 kJ/kmol
hD = 2641,5874 kJ/kmol
hB = 75,2267 kJ/kmolºC (51,7 -17,2)ºC = 2595,3212 kJ/kmol
hB = 2595,3212 kJ/kmol
hB,e = Cp,Be(Tburbuja – Tref ) Por diagrama Tyx, T burbuja = 100 ºC hB,e = 75,2267 kJ/kmolºC(100 – 17,2)ºC = 6228,771 kJ/kmol
hB,e = 6228,771 kJ/kmol
hF,s = 4114,125 kJ/kmol Calculo de la temperatura de alimentación a la entrada de la torre HF,s = Cp,Fs*(TFs – Tref )= 4114.125 kJ/kmol
La pendiente de la línea de operación de la alimentación es 84,33 y a partir del punto (0,09375; 0,09375) se traza la distancia 8,43 vertical hacia arriba y luego 0,1 hacia la derecha o se traza el ángulo 89,32 en el primer cuadrante y se traza la línea de la alimentación. El punto de corte de la línea de operación de la zona de rectificación es
. A partir del punto (0,9685;
0,9685) se traza la línea de operación de la zona de rectificación y se une con el punto de corte de la línea de operación (0,35; 0,00). Esta línea se intercepta con la línea de operación de la alimentación y se obtiene un nuevo punto que al unirlo con el punto (0,00; 0,00051) se obtiene la línea de operación de la zona de agotamiento.
La carga calorífica del rehervidor se calcula haciendo un abalance de energía a toda la columna F*HFs + qr= D*HD+B*HBe +qc qr= D*HD+B*HBe +qc - F*HFs D= 20,086 Kmol/h
qc=3.114.516,52 kJ/h
B= 188,4607 kmol/h
hF,s = 4114.125 kJ/kmol
F = 208,547 kmol/h
hB,e = 6228,771 kJ/kmol
hD = 2641,5874 kJ/kmol
qr= 3.483.465,561 KJ/Kmol Y finalmente m`= qr/ λ VaporAgua=
λ Agua
532,38 Kcal/Kg
, λ Agua se determina a la presión de 1.5 Kgf/cm2 m= 3483645,561 KJ/h / (532,38 Kcal/Kg *4,185 KJ/Kcal) = 1563,487 Kg/h m=1563,487 Kg/h
Diagrama X-Y Acetona-Agua
1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 ) r o p a V e s a F ( a n o t e c A r a l o M n o i c c a r F Y
0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 0 , 0
5 0 , 0
0 1 , 0
5 1 , 0
0 2 , 0
5 2 , 0
0 3 , 0
5 3 , 0
0 4 , 0
5 4 , 0
0 5 , 0
5 5 , 0
0 6 , 0
5 6 , 0
0 7 , 0
5 7 , 0
X Fraccion Molar Acetona(Fase Liquida)
0 8 , 0
5 8 , 0
0 9 , 0
5 9 , 0
0 0 , 1
