LA UNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICALABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

CÁTEDRA: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

PRÁCTICA Nº 3DESTILACIÓN CONTINUA

José Valecillos DíazC.I.: 16169823Sección: 062

Práctica Realizada: 18/05/04Informe Entregado: 08/06/04

1. RESUMEN

El objeto de este informe se basa en la evaluación de la eficiencia de una torre de platos perforados mediante una destilación continua de una mezcla etanol-agua a reflujo parcial, respecto al número de etapas teóricas determinadas para las condiciones de operación mediante la aplicación del método de McCabe-Thiele, determinación del balance de masa y balance de energía que permite determinar el calor perdido al ambiente desde el sistema.

Los resultados indican que la eficiencia es baja cuando se opera con grandes cantidades de reflujo y además el reflujo de operación es mayor que el reflujo óptimo, por lo tanto los resultados no son los esperados para condiciones óptimas de operación. También se observan grandes pérdidas de calor al ambiente.

Se puede decir que los objetivos fueron cumplidos, y que la eficiencia de la torre disminuye cuando se opera con una relación de reflujo alta, ya que disminuye el número de etapas teóricas calculadas por el método de McCabe-Thiele. Además que debido a las pérdidas de calor al ambiente son considerablemente grandes, el método de McCabe-Thiele no representa adecuadamente el comportamiento real de la torre de platos perforados, ya que este método supone que la torre opera bajo condiciones adiabáticas.

2

2. ÍNDICE

3. Introducción 4

4. Revisión Bibliográfica 5 4.1. Destilación Continua 5 4.2. Método de McCabe-Thiele 6 4.2.1. Recta de operación en la zona de enriquecimiento 6 4.2.2. Recta de operación en la zona de agotamiento 7 4.2.3. Línea q de la alimentación 8 4.2.4. Representación gráfica de una torre por etapas 9 4.3. Punto de Reflujo Mínimo y Reflujo Infinito 10 4.4. Relación de Reflujo Óptimo 10 4.5. Eficiencia Teórica de una Torre de Destilación por Etapas 10

5. Marco Metodológico 11 5.1. Procedimiento Experimental 11 5.2. Diagrama de Instrumentación y Tuberías 18

6. Resultados y Discusiones 21 6.1. Datos Experimentales 21 6.2. Resultados y Discusiones 22

7. Conclusiones 26

8. Recomendaciones 27

9. Referencias Bibliográficas 28

10. Apéndice 29

3

3. INTRODUCCIÓN

El siguiente reporte tiene como objetivo principal evaluar la eficiencia de una torre de platos perforados mediante una destilación continua de una mezcla binaria a reflujo parcial. El equipo consiste de una torre de destilación marca Scott con 6 platos perforados y cuenta con un rehervidor en el fondo y un condensador total en el tope, además cuenta con rotámetros para la medición de flujo, termocuplas instaladas en cada línea, precalentadores y bombas. Procedimiento experimental comúnmente usado es primero el arranque de la torre de destilación y segundo la operación de la destilación continua para separar una mezcla metanol-agua. En el arranque de la torre debe verificarse que todas las válvulas de flujos de entrada a la torre y salida de la torre estén cerradas y que el nivel en el rehervidor sea el nivel de operación, luego se procede a suministrar calor al rehervidor y esperar que el tambor de tope del destilado alcance el nivel de operación. Se admite reflujo a la torre desde el tambor de tope y se regula de tal forma de mantener el nivel de operación en el tambor. El proceso se opera a reflujo total durante 25 minutos hasta que se alcance el estado estacionario o especificación de los productos. En la segunda parte, se procede a alinear la torre de destilación con alimentación fresca y a recolectar el producto destilado y el producto de fondo en recipientes, dando inicio a la destilación continua. Finalmente cuando se alcancen las condiciones preestablecidas o de diseño se registran todas las temperaturas y flujos de alimentación, reflujo y agua de enfriamiento y se toman muestras de la alimentación, producto de fondo y destilado para determinar la composición molar a través de un análisis en un refractómetro. El equipo consiste de una torre de destilación marca Scott con 6 platos perforados y cuenta con un rehervidor en el fondo y un condensador total en el tope, además cuenta con rotámetros para la medición de flujo, termocuplas instaladas en cada línea, precalentadores y bombas.La destilación continua es una operación unitaria que se emplea para separar una mezcla miscible de componentes con diferencias significativas entre sus puntos de ebullición o con volatilidades diferentes, alimentando de manera continua la mezcla a separar y obteniéndose producto destilado y de fondo continuamente

4

Figura 1: Esquema general de una torre de destilación de platos perforados

4. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

4.1. Destilación ContinuaLa operación unitaria conocida como destilación, es un método que se utiliza para separar los

componentes de una mezcla (generalmente líquida) dependiendo de la distribución de los diversos componentes entre las fases líquido y vapor (los componentes se encuentran presentes en ambas fases), aprovechando la diferencia entre los puntos de ebullición de cada componente. Para que la separación de una mezcla por destilación sea posible, se requiere que la composición del vapor sea diferente de la del líquido con el cual coexiste en equilibrio.

Generalmente la destilación se utiliza cuando todos los componentes de la mezcla a separar son relativamente volátiles como sería el caso de soluciones acuosas de amoniaco, alcohol etílico, alcohol metílico, entre otros.

4.1.2. Equipos de Destilación Se emplean equipos de contacto continuo (columnas empacadas) o discontinuo (columnas de

platos). Por lo general la mas utilizadas son las torres de platos perforados.

El funcionamiento de una columna de destilación puede comprenderse mediante la Figura 1. La columna consiste en una estructura cilíndrica dividida en secciones por una serie de platos perforados, que permite el flujo hacia arriba de vapor. El reflujo líquido fluye a través de cada plato descendiendo

5

Alimentación (F)zF

Rehervidor

Residuo (W)xW

Destilado (D)xD

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Condensador

Recirculación (Lo)

por un vertedero y un rebosadero al plato inferior. El vapor procedente del plato superior pasa a un condensador, y el condensado resultante va a un tanque acumulador, donde se retira parte como producto o destilado D y otra porción se bombea a la parte superior de la columna como reflujo Lo. El líquido de la parte inferior de la columna se transforma a la fase vapor utilizando una caldera. El líquido procedente de la columna pasa al termosifón, fluyendo en éste por los tubos, y lo abandona como producto de los fondos o residuo W; mientras que la mayor parte del componente volátil vuelve a la columna en forma de vapor.

Si la alimentación se introduce en un punto situado a lo largo de la columna, el plato donde caiga se denomina plato de alimentación y la columna se divide en una sección superior llamada zona de enriquecimiento (del componente más volátil) y una sección inferior que suele llamarse zona de agotamiento (del componente más volátil).

Los procesos de transferencia de energía y masa en una columna real de destilación son muy complicados para modelarlos con facilidad en forma directa, por lo que se ha creado el modelo de etapa de equilibrio. La destilación continua no es una destilación en equilibrio, sino que el equilibrio está localizado. Se da una destilación en equilibrio en cada plato o etapa. Una etapa de equilibrio está representada por cada uno de los platos de la columna, en donde el líquido y el vapor están en contacto íntimo y por lo tanto el líquido y el vapor que salen de un plato están en completo equilibrio entre sí.

4.2. Método de McCabe-ThieleEl método de McCabe-Thiele se basa en la representación de ecuaciones de balance de masa

como líneas de operación en el diagrama de equilibrio x-y de una mezcla binaria. Las líneas son rectas debido a que el balance de energía es omitido, mediante la suposición de que el proceso se lleva a cabo en condiciones adiabáticas y que la contradifusión de masa entre las fases líquido-vapor es equimolar, es decir, los calores molares de vaporización son iguales para los dos componentes.

De las zonas definidas anteriormente, pueden deducirse ecuaciones que representen la operación y comportamiento de las etapas de equilibrio de cada zona en función de las composiciones en las fases de líquido y vapor y los flujos molares que entran y salen de la columna. Así se definen dos ecuaciones: la recta de operación en la zona de enriquecimiento (ROE) y la recta de operación en la zona de agotamiento (ROA). Aparte se deduce una ecuación que define el plato o sección de la torre en donde se introduce la alimentación y a partir de donde se separan las zonas de agotamiento y enriquecimiento. Esta ecuación se llama línea q, siendo q la fracción de líquido que entra en la alimentación.

4.2.1. Recta de operación en la zona de enriquecimientoSi se considera la sección de una columna de destilación por encima de donde se introduce la

alimentación, en donde se cuenta con un condensador que elimina todo el calor latente del vapor principal en el tope obteniéndose un producto destilado líquido, por tanto xD = y1.

Si se considera un plato n en donde Ln y Gn+1 son los flujos de líquido y vapor que salen y entran del plato respectivamente con composición xn e yn+1, tal como se muestra en la figura 2, el balance de masa es:Balance de masa total:

(1)Balance de masa por componente:

(2)

6Ln

xn

Gn+1

yn+1

DxD

LO

xO

G1

y1

n

1

Figura 3: Zona de agotamiento

Por contradifusión equimolar, todos los flujos de líquido y vapor en la zona de enriquecimiento son constantes e iguales:

LO = L1 = L2 = L3 = ... = Ln = LG1 = G2 = G3 = G4 = ... = Gn+1 = G

(3)

A parte, haciendo balance de masa en el condensador, se tiene:(4)

Por definición, la relación de reflujo es:

(5)

Sustituyendo la ecuación (5) en la ecuación (4):(6)

Sustituyendo las ecuaciones (5) y (6) en la ecuación (2):

(7)

La ecuación (7) representa la recta de operación en la zona de enriquecimiento (ROE), la cual se representa en un diagrama de equilibrio x-y para una mezcla binaria. Para xn = 0, el intercepto de la recta con el eje y, es yn+1 = xD/(R+1) y cuando yn+1 = xn se obtiene que x = y = xD.

4.2.2. Recta de operación en la zona de agotamientoConsiderando la sección de una columna de destilación por debajo de donde se introduce la

alimentación, y que se tiene un rehervidor al cual se le suministra calor a través de una resistencia.

Si se considera un plato m en donde y son los flujos de líquido y vapor que salen y entran del plato respectivamente con composición xm e ym+1, tal como se muestra en la figura 3, el balance de masa es:Balance de masa total:

(8)Balance de masa por componente:

(9)

Haciendo balance de masa del líquido y vapor en el plato de alimentación:

(10)

Sustituyendo las ecuaciones (5) y (6) en las ecuaciones (10):7

Figura 2: Zona de enriquecimiento

Lm

xm

m

WxW

FzF

qm

xm

Ln

xn

Gn+1

yn+1

(11)

(12)Del balance de masa global para una torre de destilación como la mostrada en la figura 1, se tiene:

(13)

Sustituyendo la ecuación (13) en la ecuación (12):(14)

Sustituyendo las ecuaciones (11) y (14) en la ecuación (9):

(15)

La ecuación (15) representa la recta de operación en la zona de agotamiento (ROA), la cual se representa en un diagrama de equilibrio x-y para una mezcla binaria. Para , el intercepto de la

recta con el eje y, es y cuando se obtiene que x = y = xW.

4.2.3. Línea q en la alimentaciónLa condición térmica de la alimentación determinada por el valor de q se define como la

relación entre la energía necesaria para convertir 1 mol de alimentación en vapor saturado y el calor molar de vaporización. Se dice también que es la fracción de líquido que entra en la alimentación.

La línea q representa el intercepto de cambio de pendiente entre la recta de operación en la zona de enriquecimiento y la recta de operación en la zona de agotamiento.

Igualando las ecuaciones (2) y (9) se obtiene:(16)

donde y .De las ecuaciones (10), resulta:

(17)

Del balance por componentes de la torre mostrada en la figura 1, se tiene:(18)

Sustituyendo las ecuaciones (17) y (18) en (16) y arreglando, resulta:

(19)

La ecuación (19) representa la línea q de la alimentación. Para x = 0, el intercepto con el eje y es y = – zF /(q – 1) y para x = y se tiene x = y = zF. Por lo general para representar la línea q de la alimentación en un diagrama de equilibrio x-y es suficiente con conocer el valor de zF y la recta de operación en la zona de agotamiento o en la zona de enriquecimiento. En la figura 4 se representan las dos rectas de operación y la línea q en la alimentación para una destilación binaria de una mezcla miscible A-B.

4.2.4. Representación gráfica de una torre por etapas

8

Para el diseño de torres de destilación suele representarse gráficamente las etapas de equilibrio necesarias para separar una mezcla dada de dos componentes A-B, mediante un diagrama de equilibrio de dicha mezcla.

El método de McCabe-Thiele se emplea para representar gráficamente torres de destilación por etapas a través de diagramas de equilibrios de mezclas binarias, como se muestra en la figura 4.

La recta de operación en la zona de enriquecimiento se construye conociendo el valor de xD y el intercepto con el eje y. Luego, si se conoce la fracción de líquido que entra en la alimentación, puede calcularse el intercepto de la línea q con el eje y, y conociendo zF, se construye la línea q. Finalmente conocido el punto donde intersecan la línea q y ROE, se construye la recta de operación en la zona de agotamiento uniendo este punto con x = y = xW. Una vez construidas las rectas de operación se procede a trazar las etapas teóricas en forma de escalón partiendo de xD hasta xW. Cada escalón es trazado entre la curva de equilibrio y la recta de operación correspondiente a cada zona.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Fracción molar de A en e l l íquido

Fra

cció

n m

olar

de

A e

n el

vap

or

ROE

ROA

Línea q

ROE mínima

ROA máxima

Figura 4: Diagrama de equilibrio x-y para una mezcla binaria A-B.Representación del método de McCabe-Thiele.

Se determina la zona de enriquecimiento a la zona que está a la derecha de la línea q, y la zona de agotamiento a la recta representada a la izquierda de la línea q.

El plato o etapas teóricas en este caso son 5 mas un rehervidor que está representado por una fracción de una etapa teórica completa. A esta fracción se lo podría denominar como una sexta etapa incompleta, ya que no está en equilibrio. El plato de alimentación está determinado por el intercepto de las rectas de operación (ROE y ROA) y la línea q de la alimentación. Para el ejemplo de la figura 4, el plato de alimentación es el número 5. Este es el plato en el cual se introduce la alimentación en la torre de destilación.

9

1

2

3

4

5

xW xDzF

xD . (R+1)

xD . (Rmín+1)

-zF . (q–1)

La localización óptima de la etapa o plato de alimentación es aquella, que bajo condiciones de operación dadas, dará como resultado la mayor separación de los componentes de la mezcla . otro criterio importante para la localización del plato de alimentación es que se ubica en el sitio en que se requieren menor número de etapas para lograr una separación específica entre los componentes de la mezcla (para especificaciones de xD y xW dadas).

4.3. Punto de Reflujo mínimo y Reflujo InfinitoEl punto de reflujo mínimo se define como aquel en que se intersecan las rectas de operación, la

línea q de la alimentación y la curva de equilibrio. Gráficamente se determina como se muestra en la figura 4. Cuando el reflujo es mínimo, la pendiente de la recta de operación en la zona de enriquecimiento es mínima, mientras que la pendiente de la recta de operación es máxima. En estas condiciones, al trazar etapas teóricas se obtienen infinitas etapas que convergen al punto de reflujo mínimo. Conociendo el intercepto de la ROE con pendiente mínima puede determinarse el reflujo mínimo para llevar a cabo la destilación de la mezcla binaria a las condiciones especificadas:

Intercepto ROE mínima

Cuando se opera en condiciones de reflujo total, la relación de reflujo tiende a infinito (R→∞) y las rectas de operación coinciden con la recta x = y. En este caso se determina el número de etapas teóricas o platos mínimos que se requieren para obtener producto con la especificación deseada.

4.4. Relación de Reflujo ÓptimoPara operar la columna de destilación bajo condiciones óptimas se define la relación de reflujo

óptima de tal forma de obtener el producto destilado dentro de las especificaciones deseadas utilizando el número de etapas necesarias. La relación de reflujo óptima está definida como una porción mayor que la relación de reflujo mínimo.

(20)Donde n es un número real mayor que 1.

Tomando en cuenta los costos totales (costos de operación y costos fijos) puede determinarse una relación de reflujo óptima que hace que los costos totales sean mínimos.

La relación de reflujo óptima se encuentra entre la relación de reflujo mínima y la relación de reflujo infinita. Treybal establece que la relación de reflujo óptima debe estar entre 1.2 a 1.5 veces el reflujo mínimo.

4.5. Eficiencia Teórica de una Torre de Destilación por EtapasLa eficiencia global de una torre de destilación en teoría está definida como la relación entre el

número de platos o etapas teóricas necesarias para llevar a cabo un determinado proceso de destilación y el número de platos o etapas teóricas reales que se utilizan para destilar la misma mezcla:

(21)

donde Nteórico es el número de platos teóricos y Nreal es el número de platos reales.

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

6. RESULTADOS Y DISCUSIONES

6.1. Datos Experimentales

Tabla 1: Datos generales

Mezcla a separar Etanol-Agua

Número de etapas reales1 6 y 1 rehervidorFuente: (1) Columna de destilación marca Scout.

Tabla 2: Condiciones en el ambiente de trabajo

Variable Valor Unidad

Presión Atmosférica1 757.73 mmHg

Temperatura Ambiente2 26 ºCFuente: (1) Presión medida con Barómetro marca Fisher Scientific. (2) Temperatura medida con Termómetro Superior, rango -10 a50ºC, precisión 1ºC.

Tabla 3: Flujos volumétrico del proceso de destilación en estado estacionario

Corriente Valor Unidad

Alimentación1 86.667 cm3/min

Reflujo2 88.580 cm3/min

Agua al condensador1 1.200 gpmFuente: (1) Los volúmenes fueron medidos con cilindros graduados marca KIMAX de 250ml con precisión de 2ml. Tiempo medido con cronómetros marca ZOGGS digital. Caudales calculados con la ecuación Q = V/t. (2) Flujos medidos con rotámetros marca Brooks.

Tabla 4: Composiciones durante la destilación en estado estacionario

Corriente Índice de Refracción %Etanol

Alimentación 1.3474 21.00

Tope 1.3610 70.00

Fondo 1.3551 18.50Fuente: Valores del índice de refracción obtenidos con un refractómetro digital marca: ABBE REFRACTOMETER.

Tabla 5: Temperaturas en varios puntos de la columna de destilación

Termocupla Ubicación Temperatura (ºC)

21

FzF = 0.21T = 53ºC

DxD = 0.70T = 39ºC

WxW = 0.185T = 83ºC

8 Entrada agua al condensador 29

7 Salida agua del condensador 33

11 Entrada de la alimentación 53

10 Línea de reflujo 44

9 Línea de condensado 39

12 Rehervidor 83

Calor aportado por el rehervidor (QB) 1995kWFuente: Temperaturas medidas con indicador de temperatura marca VENETROL.

6.2. Resultados y Discusiones

Tabla 6: Balance de masa

CorrienteFlujo molar

(mol/h)

Fracción molar de

etanol

Alimentación (F) 204.00 0.210

Destilado (D) 9.90 0.700

Residuo (W) 194.10 0.185Fuente: remitirse al punto 10.1 de la sección 10 (Apéndice)

En el proceso de destilación continua para separar la mezcla de metanol-agua los valores de flujo molar o másico que se obtiene de destilado y de residuo están determinados por el balance de masa en la torre de destilación. A su vez este balance depende de las condiciones de operación y especificaciones de producto deseadas u obtenidas experimentalmente. Al terminar la operación el destilado queda más rico en metanol, ya que por ser el componente más volátil tiende a transferirse favorablemente a la fase de vapor ya que su presión de vapor alcanza con mayor facilidad la presión atmosférica y por lo tanto se evapora en mayor proporción que el agua que es el componente más pesado que tiende a condensar y a ir enriqueciendo el residuo o fondo. Si el flujo de composición de la alimentación cambia el balance de masa se vera modificando la cantidad de productos de tope y fondo obtenidos. Mediante la tabla se puede observar el balance de masa de la columna de destilación bajo condiciones estacionarias, en donde se puede apreciar que la cantidad de tope es menor que la cantidad de fondo.

22

Figura 5: Balance de masa en la torre de destilación

Tabla 7: Balance de energía

Variable Valor Unidad

Calor aportado por la alimentación (FhF)

79.29 W

Calor retirado en el destilado (DhD)

8.64 W

Calor retirado en el residuo (WhW)

61.77 W

Calor aportado por el rehervidor (QB)

1995.00 W

Calor retirado en el condensador (QC)

1262.38 W

Calor perdido al ambiente (QL)

741.50 W

Fuente: remitirse al punto 10.2 de la sección 10 (Apéndice)

Después de hacer los calculos sobre la operación de destilaciones observa que comparando el calor aportado por la resistencia en el rehervidor y el calor retirado en el condensador tiene una diferencia considerable que se evidencia experimentalmente por el cambio pequeño entre la temperatura del agua de entrada al condensador y la temperatura de salida de agua del condensador. Tomando en cuenta los calores retirados y aportado por las corrientes de salida y entrada del proceso que se encuentran tabulados en la tabla se observa que estos son pequeños en comparación con el calor aportado y retirado por el rehervidor y condensador respectivamente. Debido a las diferencias entre el calor retirado y aportado, al determinar el balance de energía puede notarse que el proceso es no adiabático puesto que los calores aportados y retirado son distintos, y por tanto la diferencia entre la energía aportada y la energía suministrada representa el calor perdido al ambiente. El calor perdido es relativamente grande, característico de un proceso real. Este resultado es el esperado en todo proceso real.

El balance de energía es función de las energías aportadas o retiradas a través de las corrientes y estas dependen de la temperatura, composición y flujo de cada corriente. Sin embargo el calor aportado por el rehervidor es el que representa la mayor parte de la energía aportada al sistema para producir un destilado que es rico en metanol.

23

FhF

T = 53ºC

DhD

T = 39ºC

WhW

T = 83ºC

QB

QC

QL

Figura 6: Balance de energía en la torre de destilación

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Fracción molar de etanol en el líquido

Fra

cció

n m

olar

de

etan

ol e

n el

vap

or 0

Recta de Operación(Enriquecimiento)

Recta de Operación(Agotamiento)

Recta de Operación a ReflujoMínimo (Enriquecimiento)

Línea q (Alimentación)

Gráfica 1: Método de McCabe-Thiele para el proceso de destilación continua

Según el método de McCabe-Thiele para representar teóricamente la torre de destilación continua, se obtiene el comportamiento mostrado en la gráfica . El número de etapas teóricas es 6 mas 1 rehervidor siendo el rehervidor la etapa donde se introduce la alimentación, mientras que la torre del laboratorio cuenta con 6 platos mas 1 rehervidor. El resultado obtenido no está acorde a las condiciones reales en las que se opera la torre. La representación gráfica de la torre de destilación muestra que el método de McCabe-Thiele no es adecuado para representar esta columna, ya que este método no toma en cuenta los balances de energía y asume que las pérdidas de calor son despreciables, siendo estas suposiciones contrarias a las observadas experimentalmente donde se evidencia una pérdida de calor significante, en otras palabras el proceso opera bajo condiciones no adiabáticas.

24

1

2

3

Tabla 8: Eficiencia y condiciones de operación de la torre de destilación

Variable Valor Unidad1Eficiencia global del proceso (Eo) 33.33 %

2Relación de reflujo mínima (Rmín) 0.505 molD/molLo3Relación de reflujo de operación (R) 11.920 molD/molLo

2Relación de reflujo óptima (Róptima) 0.758 molD/molLoFuente: (1) remitirse al apartado 10.4 de la sección 10. (2) remitirse al apartado 10.5 de la sección 10. (3) remitirse al apartado 10.3 de la sección 10.

La eficiencia de la torre de destilación aplicando el método de McCabe-Thiele para determinar el número de etapas teóricas, es 100% Esto puede ser consecuencia de utilizar una relación de reflujo muy elevada como se muestra en la tabla , en comparación con la relación de reflujo óptimo. A medida que la relación de reflujo aumenta, la pendiente de la recta de operación en la zona de enriquecimiento se va haciendo máxima y aumenta la distancia entre la ROE y la curva de equilibrio de tal forma que al aplicar el método del escalón se obtiene un número de etapas bajo. Estas condiciones se aproximan a las condiciones de una operación ideal reflujo total cuando se obtiene el número de etapas mínimas para realizar la destilación. Al calcular la eficiencia para la destilación continua de metanol-agua se obtiene una eficiencia muy alta destacandose la posibilidad de errores humanos ya que ningun proceso de el 100% de eficiente. No obtante al representar la torre gráficamente empleando el método de McCabe-Thiele es debido a que el proceso es no adiabático y este método no toma en cuenta el balance de energía, sin embargo para esta torre es necesario tener en cuenta el balance de energía ya que se reportan grandes pérdidas de calor durante la operación.

25

7. CONCLUSIONES

según los objetivos propuestos fueron cumplidos los siguientes:

El balance de masa total y por balance de masa componentes aplicado a una torre de destilación determina los flujos másicos o molares de producto de destilado y fondo a partir de una alimentación conocida y calidad de productos de destilado y fondo .

La destilación continua permite separar mezclas miscibles en forma continua obteniendo producto destilado rico en el componente más liviano y producto de residuo rico en el componente más pesado.

El destilado es más rico en el componente más volátil, puesto que tiende a transferirse a la fase de vapor ya que su presión de vapor alcanza con mayor facilidad la presión atmosférica y por lo tanto se evapora en mayor proporción que el componente más pesado que tiende a condensar.

El balance de energía aplicado a una torre de destilación permite verificar el gasto de energía en forma de calor que se suministra a un equipo de destilación para operar bajo condiciones de diseño.

En la torre de destilación por etapas del laboratorio se obtuvo una pérdida de energía considerable. La torre de destilación del laboratorio opera bajo condiciones no adiabáticas.

El método de McCabe-Thiele no representa correctamente el comportamiento de la torre de destilación binaria de una mezcla parcial.

La eficiencia global teórica para la torre de destilación es alta ya que se presentan errores humanos al momento de la operación.

8. RECOMENDACIONES

Para que la operación de la torre sea óptima desde el punto de vista de pérdidas energéticas, se recomienda utilizar aislantes de tal forma de disminuir las pérdidas de calor al ambiente.

Se recomienda utilizar métodos que consideren las pérdidas de calor durante el proceso, como el método de Ponchon y Savarit que toma en cuenta el balance de energía en la columna de destilación y emplea diagramas de equilibrio composición-entalpías a diferentes temperaturas.

26

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

TREYBAL, Robert E. Operaciones de Transferencia de Masa. Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición 1988.

McCABE Warren L.; SMITH Julian C. Unit Operations of Chemical Engineering. 3th Edition. McGraw Hill.

27

PERRY, Robert H.; GREEN, Don W. Manual del Ingeniero Químico. Sexta Edición. McGraw Hill. Tomo IV

Biblioteca de Consulta Microsoft® Encarta® 2003. © 1993-2002 Microsoft Corporation.

10. APÉNDICE

10.1. Determinación del balance de masa en la torre de destilación.El balance de masa, tomando como sistema de control la torre de destilación, es:

Balance de masa global:

Balance de masa por componente (etanol):

donde:F: flujo molar en la alimentación (mol/h)D: flujo molar en el destilado (mol/h)W: flujo molar en el residuo (mol/h)

28

FzF = 0.17T = 53ºC

DxD = 0.9625T = 39ºC

WxW = 0.1175T = 83ºC

El flujo másico en la alimentación puede obtenerse a partir del caudal, QF, en la alimentación y la densidad de la mezcla de alimentación, ρF. Luego si se divide el flujo másico, entre el peso molecular de la mezcla, MF, se obtiene el flujo molar en la alimentación, F:

(A)

Para la mezcla etanol-agua en la alimentación a 53ºC y composición molar de etanol, zF = 0.21, la densidad de la mezcla en la alimentación es:

A 53ºC:

El peso molecular de la mezcla es:

Metanol = 46g/mol y Magua = 18g/mol

El caudal de alimentación es:

Sustituyendo en la ecuación A, se tiene:

Sustituyendo F, zF, xD y xW en las ecuaciones del balance de masa, se tiene:(B)(C)

Resolviendo el sistema de ecuación formado por las ecuaciones B y C, resulta:

10.2. Determinación del balance de energía.El balance de energía en la torre de destilación es:

donde:hF: entalpía de la mezcla de alimentación (J/mol)hD: entalpía de la mezcla en el destilado (J/mol)hW: entalpía de la mezcla en el residuo (J/mol)QB: calor suministrado al rehervidor (W)QC: calor retirado en el condensador (W)

29

FhF

T = 53ºC

DhD

T = 39ºC

WhW

T = 83ºC

QB

QC

QL

QL: calor perdido al ambiente (W)F: flujo molar en la alimentación (mol/s)D: flujo molar en el destilado (mol/s)W: flujo molar en el residuo (mol/s)

De la data experimental se obtuvo que el calor suministrado al rehervidor es QB = 1995W. El calor retirado del condensador es igual al calor transferido al agua de enfriamiento:

(D)

A partir de la densidad del agua a temperatura promedio y el flujo volumétrico de entrada de agua al condensador, se calcula el flujo másico de agua alineado al condensador:

entonces a 31ºC, ρagua = 995.6kg/m3

El calor especifico para el agua es, Cpagua = 4187J/kg·ºC. Sustituyendo en la ecuación D se tiene:

Para cada corriente la entalpía se define como:(E)

Para el agua líquida (de las tablas de vapor de agua de Thermodynamic Properties in S.I., Deparment of Mechanical Engineering, Stanford University), se tiene:

En la alimentación, a 53ºC hagua = 10.52687kJ/kg = 0.189484kJ/molEn el condensado, a 39ºC hagua = 20.7127kJ/kg = 0.372829kJ/mol

En el residuo, a 83ºC hagua = 3.05495kJ/kg = 0.0549891kJ/molPara el etanol como líquido puro, las entalpías en cada corriente (Base de datos YAWS, Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química) son:

En la alimentación, a 53ºC hetanol = 5.95kJ/molEn el condensado, a 39ºC hetanol = 4.33kJ/mol

En el residuo, a 83ºC hetanol = 9.58kJ/molSustituyendo en la ecuación E se tiene:

Finalmente sustituyendo en la ecuación del balance de energía:

10.3. Determinación gráfica del número de platos teóricos por el método de McCabe-Thiele.

La recta de operación en la zona de enriquecimiento, según el método de McCabe-Thiele, es:

30

(F)

La relación de reflujo, R, se define como:

El reflujo, Lo, es: . Si se multiplica por la densidad de la mezcla y se divide entre el peso molecular se obtiene el reflujo en términos de flujo molar:

Sustituyendo en la ecuación F:

A partir de esta ecuación se obtiene:

La recta de operación en la zona de agotamiento (ROA), es:

(G)

donde q es la fracción de líquido en la alimentación. Aplicando la definición dada en el apartado 4.2.3 de la sección 4, y con referencia a los valores de entalpía y calor de vaporización del etanol como líquido puro de la Base de datos YAWS, Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química David Himmelblau, se tiene que q = 1.09.Sustituyendo q = 1.09 en la ecuación G, resulta:

A partir de esta ecuación se obtiene:

La línea q de la alimentación viene dada por:

(H)

Sustituyendo q = 1.09 y zF = 0.21 en la ecuación H, resulta:

Para y = x resulta y = x = zF = 0.21

Procedimiento gráfico (ver gráfico 1): Se trazan las rectas de operación con los puntos determinados para la ROE y la ROA.

Se traza la línea q de la alimentación a partir del punto y = x = zF = 0.21, y que pase por el punto donde se intersecan las ROE y ROA.

Trazar escalones entre las rectas de operación y la curva de equilibrio, desde el inicio de la ROE en xD = 0.700, hasta en final de la ROA en xW = 0.185. estos escalones representan una etapa de equilibrio.

Se cuentan el número de etapas teóricas, obteniéndose 2 platos + 1 rehervidor.

31

10.4. Determinación de la eficiencia del procesoLa eficiencia global del proceso está definida por:

(I)

Para el proceso de destilación Nteórico = 2 y Nreal = 6, sustituyendo en la ecuación I, se tiene:

10.5. Determinación de la relación de reflujo óptimaLa relación de reflujo óptima es una porción mayor a la relación de reflujo mínima. Según

Treybal, la relación de reflujo óptima debería estar ente 1.2 y 1.5 veces la relación de reflujo mínima. Se considerará que la relación de reflujo óptima es:

Determinación de Rmín a través de la gráfica 1: Con la línea de alimentación fija se traza la ROE con pendiente mínima a partir del punto x = y

= xD = 0.700 y el punto donde la línea q interseca a la curva de equilibrio. Se prolonga la recta trazada (ROE mínima) hasta interceptar al eje y.

Se lee el valor del intercepto, obteniéndose y = 0.465.

De acuerdo a la ecuación para ROE este valore representa:

Intercepto ROE mínima

Sustituyendo xD = 0.700 y el intercepto de ROE mínima = 0.465, se tiene:

Entonces la relación de reflujo óptimo es:

32