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12.3 Para cada una de las las dos separaciones separaciones por destilación destilación (D-1 y D-2) que se indican a continuación, establézcase establézcase el tipo de condensado condensadorr y la pr e si ón d e op er a ci ó n. Compuesto Metano Etano Benceno
D-1 Compuesto Metano Etano Benceno Tolueno
Kmol/h 20 4.995 5
Compuesto Etano Benceno Tolueno
Kmol/h 20 5 500 100
Kmol/h 0.005 485 0.5
D-2
Compuesto Benceno Tolueno
Kmol/h 10 99.5
Se calcula el punto de burbuja del destilado de la columna D -1, con una T= 120°F y 120°F y después de varias iteraciones se obtiene la siguiente presión:
Cálculo del punto de burbuja del destilado D-1 @ 120°F y 2500 psia
Compuesto Metano Etano Benceno
D (Kmol/h) 20 4.995 5 29.995
X K Y=X*K 0 .6667778 0.6667778 1.4 0.93348891 0.16652775 0.9 0.14987498 0.16669445 0.01629998 0.00271712 1.08608101
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Como la presión que resulta 25 00 ps ia > 215 ps ia , se cal cu la el pu nt o de rocío de dicho destilado a 120°F y después de varias iteraciones la presión que resulta es:
Cálculo del punto de rocío del destilado D-1 @ 120°F y 225 psia
Compuesto Metano Etano Benceno
D (Kmol/h) 20 4.995 5 29.995
Y K X=Y/K 0.6667778 13.5 0.04939095 0.16652775 3.15 0.05286595 0.16669445 0.18129788 0.9194506 1.0217075
La presión en el destilado de la columna D -1 es de 22 5 ps ia < 365 psia po r tanto está indicado un condensador parcial.
La presión en la parte superior del condensador es la calculada mas un margen de 5 psia considerando la caída de presión, queda de la siguiente fo rma :
Y suponiendo de igual forma una caída de presión de 5 psia para toda la columna, la presión en el fondo de la misma queda:
Se realiza un promedio de las presiones tanto en la parte superior de la columna (225 psia) como en fondos (235 psia) y resulta una pres ió n de operación de :
Con esta presión se obtiene la temperatura en fondos, calculando el punto de burbuja del producto de fondos, la temperatura que resulta es de 22 4 °F.
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS III Cálculo del punto de burbuja del producto de fondos D-1 @ 230 psia y 224 °F
Compuesto etano benceno tolueno
B(Kmol/h) 0.005 595 100 695.005
X K Y=K*X 7.1942E-06 5.18 3.7266E-05 0.85610895 1.10020698 0.94189704 0.14388386 0.42609339 0.06130796 1.00324227
La temperatura que resulta en los fondos debe ser lo suficientemente baja pa ra ev it ar la de sco mp os ic ió n, es de ci r se de be de en co nt rar a po r de ba jo de las temperaturas críticas de las sustancias que conforman e producto de fondos, y la T= 22 4 °F = 379.816667 K cumple con esta condición de acuerdo a la siguiente tabla. Temperaturas críticas de las sustancias presentes en el producto de fondos
Compuesto etano benceno tolueno
Tc(K) 305.3 562.2 591.8
La temperatura que resulta de fondos es superior a la temperatura crítica del etano, pero considerando que se espera que de dicho componente exista una fracción mínima en la corriente de producto de fondos, y que la temperatura de 379.816667 K es mucho mayor que las temperaturas críticas de los otros componentes se consider an aproximados los cálculos anteriores.
Para la columna D-2 se realiza el procedimiento anterior, así que mediante el cálculo del punto de burbuja del destilado D- 2 se obtiene que la presión es superior a 21 5 ps ia y como lo indica la metodología se pr oc ed e a ca lc ul ar el pu nt o de roc ío de di cho de st il ad o:
Cálculo del punto de rocío del destilado D-2 @ 120°F y 40 psia
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS III Compuesto etano Benceno tolueno
D (Kmol/h) 0.0005 485 0.5 485.5005
Y K X=Y/K 1.0299E-06 25 4.1195E-08 0.99896911 1.00361329 0.99537254 0.00102987 0.31199783 0.00330087 0.99867345
La presión en el destilado de la columna D -2 es de 40 psia< 365 psia po r tan to es tá ind ic ado un co nde ns ad or par cia l.
La presión en la parte superior del condensador es la calculada mas un margen de 5 psia considerando la caída de presión, queda de la siguiente forma:
Y suponiendo de igual forma una caída de presión de 5 psia para toda la columna, la presión en el fondo de la misma queda:
Se realiza un promedio de las presiones tanto en la parte superior de la columna ( 20 ps ia ) co mo en fo ndo s ( 50 psia ) y res ul ta un a presi ón de operación de :
Con esta presión se obtiene la temperatura en fondos, calculando el pu nt o de bu rbu ja de l pr od uc to de fo nd os , la te mp er at ur a qu e re su lt a es de 175 °F.
Cálculo del punto de burbuja del producto de fondos D-2 @ 45 psia y 175 °F
Compuesto benceno tolueno
B(Kmol/h) 10 99.5 109.5
X K Y=K*X 0.0913242 2.59735073 0.23720098 0.9086758 0.91733508 0.83356019 1.07076117
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DE ACUERDO A LA TABLA DE TEMPERATURAS CRÍTICAS LA TEMPERATURA ES ADECUADA PARA EVITAR LA DESCOMPOSICIÓN DE LAS SUSTANCIAS PRESENTES EN LA CORRIENTE DE FONDOS .
12.7 Para la operación de destilación que se indica seguidamente, calcúlese el número mínimo de etapas de equilibrio y la distribución de los componentes no clave utilizando la ecuación de Fenske y los valores K de la Fig. 7.5.
Solución: Las temperaturas de 20 °C y 40 °C se supusieron para el punto de roció de la parte superior y se toman para delimitar entre ellas la temperatura del punto de roció, de la misma manera se supusieron las temperaturas de 120 y 140 °C para delimitar el punto de burbuja de la corriente del fondo.
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componente C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 nC7 nC8 Total
z
d
K
d/k
2500
2500
1.25
2000
400
400
0.47
600
594
100
15
200
-
40
K
d/k
b
K
Kb
1.9
1315.778
-
-
-
851.06
0.82
487.80
-
-
-
0.34
1747.05
0.6
1000
6
2.50
15
3.2
19.2
0.28
53.57
0.25
400
85
1.30
110.5
1.8
153
-
-
200
1.10
220
1.5
300
-
-
-
40
0.58
23.2
0.8
32
50
-
-
-
50
0.30
15
0.41
20.5
40
-
-
-
40
0.16
6.4
0.26
10.4
3509
4651.68
3203.58
421
390.1
⁄ ⁄ ⁄( ) ( )( ) KLH=1.35 KHK=0.66
()()
a) El número mínimo de etapas de equilibrio es de 8.84
6
K
Kb
535.1
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Componentes no clave
componente C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 nC7 nC8 Total
z 2500
K 3.5
α
5.3
α
m
d
b
Xd
6
2499.99
3
399.93
0.06149
0.113
2.526X10 6.505X10
-3
5.60X10
0.72
400
1.8
2.7
600
1.35
2
594
6
0.168
100
0.66
1
15
85
0.0042
200
0.55
0.83
0.192
6.77
40
0.25
0.37
0.000152
50
0.11
0.16
9.213X10
40
0.052
0.078
1.6X10
-8
-10
123.23
0.0019
-3
39.998
3X10
-7
49.999
2X10
-9
40
3X10
1.072X10 8.129X10 1.129X10
-7
-10 -13
3515.69
12.8 Para la operación de destilación que se muestra seguidamente, establézcase el tipo de condensador y una presión de operación, calcúlese el número mínimo de etapas de equilibrio y estímese la distribución de los componentes no clave. Obténganse valores K a partir de la Fig. 7.5.
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As um ie nd o qu e lo s co mp on en te s de ma yo r vo la ti lid ad re sp ect o al etano (LK) están presentes en el destilado y que los componentes menos volátiles al propano (HK) no lo están se tiene la compos ición siguiente en el destilado.
Composiciones en la alimentación el destilado
Componente metano etano propano n-butano
Z (lb mol/h) 1000 4500 300 50 5850
D (lb mol/h) 1000 4499 5 0 5504
Con la composición de destilado se calcula el punto de burbuja @ 120 °F y resulta una presión mayor a 215 ps ia , de tal mo do qu e se ca lc ul a el punto de rocío y de obtienen los siguient es resultados.
Punto de rocío del destilado @ 120°F y 1500 psia
Componente metano etano propano n-butano
Z (lb mol/h) 1000 4500 300 50 5850
D (lb mol/h) Y 1000 0.18168605 4499 0.81740552 5 0.00090843 0 5504
K 2.35 0.88 0.46
X=Y/K 0.07731321 0.92886991 0.00197485 1.00815797
Como la presión obtenida es mayor que 365 psia , se req uie re de un condensador parcial que opere a 415 psia y tendrá que elegirse un refrigerante. La presión en la parte superior del condensador es la calculada mas un margen de 5 psia considerando la caída de presión, queda de la siguiente forma:
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Y suponiendo de igual forma una caída de presión de 5 psia para toda la columna, la presión en el fondo de la misma queda:
Se realiza un promedio de las presiones tanto en la parte superior de la columna ( 22 5 psi a ) com o en fo nd os ( 23 5 ps ia ) y re su lt a un a pres ión de operación de :
Con esta presión se obtiene la temperatura en fondos, calculando el pu nt o de bu rbu ja de l pr od uc to de fo ndo s, la tem per at ur a que res ul ta es de 280 °F.
Cálculo del punto de burbuja del producto de fondos @ 1505 psia y 280 °F
Componente metano etano propano n-butano
Z (lb mol/h) 1000 4500 300 50 5850
B (lb mol/h) X 0 0 1 0.00289017 295 0.85260116 50 0.14450867 346
K 0 1.8 1.1 0.66
Y=X*K 0 0.00520231 0.93786127 0.09537572 1.03843931
Estableciendo una P= 1505 psia y 20 0 °F , que es el pr om ed io de la s temperaturas de destilado y fondos se calcula el numero de etapas teóricas.
Constantes de equilibrio y flujo de los componentes clave en las diferentes corrientes
Componentes clave etano propano
K@200°F y 1505 psia 1.45 0.73
9
d 4499
b 1
d´
b´
5
295
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS III De la ecuación de Fenske, se obtiene el número mínimo de platos:
+ *
Composiciones reales de todos los componentes en las corrientes de destilado (b) y producto de fondos (b)
componente metano etano propano n-butano
zF 1000 4500 300 50
K@ 200 °F y 1505 psia 3.6 1.45 0.73 0.39
d 4.93150685 999.99999998556 1.98630137 4499 1 5 0.53424658 3.06278E-08 5504.00000001618
10
b 0.00000001444 1 295 49.99999997 345.99999998382
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12.2 Ha de utilizarse una secuencia de dos columnas de destilación para obtener los productos que se indican en la figura. Establézcase el tipo de condensador y una presión de operación para cada una de las columnas en los casos siguientes: (a) Secuencia directa (primera separación C2/C3) (b) Secuencia indirecta (primera separación C3/nC4) Utilícense los valores K de la Fig. 7.5.
Solución: a) Punto de roció.
700 psia C1 C2 C3
48 °F Y 0.3 0.69 0.009
K 3.6 0.75 0.22
11
X 0.08333333 0.92 0.04090909
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS III 1.04424242
Para determinar el tipo de condensador y la presión de operación en la secuencia directa se llevaron a cabo varias iteracio nes y al final se obtienen los siguientes datos.
Debido a la presión se selecciono un condensador parcial, como la P>365 psia es necesario utilizar un refrigerante para operar el condensador a 415 psia
b) Punto de burbuja.
200 psia C2 C3 nC4
100 °F X 0.021 0.97 0.0042
K 3 1 0.31
Y 0.063 0.97 0.001302 1.034302
Por medio de iteraciones se obtuvo la presión y el tipo de condensador, obteniendo los siguientes datos. Como la presión en la secuencia indirecta es de 200 psia y como es menor a 215 psia se utiliza un condensador total.
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