OPERACIONES DE SEPARACIÓN III ESIQIE.IPN

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

E S C U E L A S U P E R I O R D E I N G E N I E R I A Q U I M I C A EI N D U S T R I A S E X T R A C T I V A S

(E.S.I.Q.I.E.)

Departamento de Ingeniería Química Industrial

PRACTICA No 3:

“RECTIFICACIÓN CONTINUA”

ALUMNO:

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER

SECCION: 07:00 am – 09:00 am

GRUPO: 8IM4

PROFESOR:

ING. CARLOS ROMAN ROMAN

LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN III

(DESTILACIÓN)

MEXICO, D.F. 24 DE MARZO, SEMESTRE ENERO-JUNIO 2011.

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4

OPERACIONES DE SEPARACIÓN III ESIQIE.IPN

INTRODUCCIÓN

La destilación de mezclas binarias es una de las operaciones básicas más importante en la industria química. El objetivo del diseño de las columnas de destilación consiste no sólo en conseguir un producto con la calidad requerida a un costo mínimo, sino que también se debe proporcionar un producto con un grado de pureza constante, aunque se produzca alguna variación en la composición de la mezcla de partida (alimentación), hecho bastante frecuente en las industrias.

Los equipos de destilación están formados esencialmente por una o varias etapas donde se efectúan simultáneamente estas dos operaciones de vaporización y condensación parciales, existiendo tres métodos de llevarse a cabo: destilación diferencial, destilación súbita y rectificación; en esta ocasión, se analizará la destilación continua con rectificación.

Rectificación

La rectificación es la forma más importante de desarrollar la destilación y a diferencia de las otras formas, el vapor formado y condensado se devuelve al sistema como líquido, produciendo una corriente denominada reflujo, que provoca una mejora en la separación.

En la rectificación al realizarse condensaciones y vaporizaciones sucesivas puede conseguirse un sustancial incremento del contenido del componente más volátil en la fase vapor. El equipo utilizado para ello se denomina columna de rectificación y en ella se ponen en contacto en contracorriente una fase líquida descendente y una fase vapor ascendente. El equipo consta básicamente de una columna cilíndrica con un hervidor en su base, en el que hierve continuamente la mezcla a separar generando el vapor que ascenderá hasta la parte superior de la columna, como se puede observar en la figura 1.

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Figura 1. Columnas de destilación de platos en la industria química.

Por otra parte, en la parte superior existe un condensador, donde el vapor procedente de la columna se vuelve a condensar, retirándose parte del líquido resultante, como producto o destilado, mientras que otra parte se devuelve a la columna como reflujo, imprescindible para que exista fraccionamiento en la columna. El condensador puede ser total, cuando se condensa todo el vapor que llega dividiendo luego el líquido en dos corrientes (destilado y reflujo), o parcial, donde el producto o destilado se retira como vapor, siendo el líquido en equilibrio con ese vapor el que constituye el reflujo.

En la rectificación continua la corriente de alimentación suele introducirse en el plato en el que la composición de las fases coincide aproximadamente con la de ésta. Así pues, a lo alto de la columna hay una variación en la composición de la mezcla. El vapor, a medida que asciende, se enriquece en el componente más volátil y el líquido, a medida que desciende, aumenta su concentración en el componente menos volátil, por lo que la volatilidad de ambas fases aumenta de abajo hacia arriba disminuyendo el punto de ebullición.

 

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DATOS EXPERIMENTALES

DENSIDAD (g/cm3)

FRACCIÓN PESO (XPESO)

FRACCIÓN MOL(XMOL)

ROTAMETRO(%)

ALIMENTACIÓN 0.956 0.23 0.1438 80DESTILADO 0.794 0.98 0.9650 15

PLATO 8(n-1)

0.827 0.875 0.7975 ----

PLATO 9(n)

0.833 0.85 0.7612 ----

PLATO 10(n+1)

0.884 0.61 0.4680 ----

RESIDUO 0.975 0.13 0.0775 70REFLUJO 0.794 0.98 0.9650 10

NOTA. La fracción peso se obtiene de la gráfica correspondiente que se encuentra en el manual a la densidad respectiva; la fracción mol se calcula de la siguiente manera:

XMOL=

X PESO

PMMETANOL

X PESO

PMMETANOL

+(1−X PESO)PM AGUA

PMMETANOL=32kg /kgmol PM AGUA=18kg /kgmol

DATOS DEL EQUIPO

T1 70 79 74 66 65T2 72 83 76 68 67T3 74 85 75 68 67T4 73 86 75 67 66T5 76 89 75 68 67T6 77 90 76 69 69T7 77 92 76 69 70T8 81 95 77 71 72T9 79 94 77 72 75

T10 81 95 78 75 80T11 86 96 79 77 83T12 84 98 81 83 87T13 86 98 81 86 88T14 87 99 87 90 89T15 87 98 89 91 89

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T16 87 99 94 91 89T17 84 91 86 80 77

Thervidor 91 100 99 90 88

CÁLCULOS

1. Calcular la relación de reflujo externo, para ello es necesario conocer las composiciones de las muestras de los platos de la sección de rectificación y tener la grafica de equilibrio de composición de líquido y vapor contra la temperatura de ebullición de la mezcla. Finalmente aplicando la ecuación 6 se determina la relación de reflujo externo, y con la ecuación 11 se determina la relación de reflujo interno. Se puede verificar el cálculo de la relación de reflujo externo con la ecuación 4, conociendo los gastos de LO y D.

R=(X D−Y n)(Y n−Xn−1)

∴R i=R

R+1

R=(0.9650−0.9050 )(0.9050−0.7975 )

=0.5581

Ri=0.5581

(1+0.5581)=0.3582

NOTA. El valor Yn se obtiene de la grafica T vs X,Y a partir del valor de Xn = X9

2. Calcular la eficiencia global de la columna, para esto hay que determinar el número de platos teóricos por el método de Mc Cabe-Thiele. La eficiencia de la columna, se obtendrá dividiendo el número de platos teóricos, menos uno, entre el número de platos reales de la columna, todo esto multiplicado por cien.

CONTANTES DE LOS ROTAMETROS

LITROS / MINUTO (100%)(AGUA DESTILADA)

ALIMENTACIÓN 1.64RESIDUO 1.64

DESTILADO 1.01REFLUJO 4.2

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PARA EL REFLUJO (LO)

LO=10% x4.2 LPM¿

100%=0.42LPM agua

*LPM = litros / minuto

- Para corregir valores de rotámetro por cambio de densidad:

LPM agua=LPMmezcla x√ 7.02 ρ8.02−ρ

0.42 LPM agua=LPMmezcla x √ 7.02(0.7940)(8.02−0.7940)

∴ L0=LPMmezcla

L0=0.4782 LPMmezcla

PARA EL DESTILADO (D):

D=15% x1.01LPM100%

=0.1515 LPM agua

*LPM = litros / minuto

- Para corregir valores de rotámetro por cambio de densidad:

LPM agua=LPMmezcla x√ 7.02 ρ8.02−ρ

0.1515 LPM agua=LPMmezcla x√ 7.02(0.7940)(8.02−0.7940)

∴D=LPM mezcla

D=0.1725 LPMmezcla

Por lo tanto la relación de reflujo externo real queda de la siguiente manera:

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R=L0D

=0.4782 LPMmezcla0.1725 LPMmezcla

∴R=2.7722

Y la relación de reflujo interno queda como:

Ri=RR+1

= 2.77222.7722+1

∴Ri=0.7349

Calculo del valor de “q” :

q=HV−H F

HV−H L

Donde:

HV=[CpA .Y A+CpB . Y B ] (T 10−0 )+ [γA . Y A+γB .Y B ]evaluado enel plato10

H L= [CpA . X A+CpB . X B ] (T 8−0 )evaluado enel plato8

H F= [CpA . ZFA+CpB . Z FB ] (20−0 )alimentación enel plato 9

De la bibliografía se obtiene:

CpA=Cpmetnol=19.38kcal /kgmol .℃

CpB=Cpagua=18kcal /kgmol .℃

γ A=8415kcal /kgmol

γB=9718kcal /kgmol

Sustituyendo datos:

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HV=[ (19.38x 0.4680 )+(18 x 0.5320 ) ] (80−0 )+ [ (8415x 0.4680 )+(9718x 0.5320 ) ]=10600kcal /kgmol

H L= [(19.38 x 0.7975 )+(18 x0.2025 ) ] (72−0 )=1375.24 kcal /kgmol

H F= [(19.38 x 0.14 )+(0.86 x18)] (20−0 )=363.864 kcal/kgmol

q=(10600−363.864 ) kcal /h(10600−1375.24)kcal /h

q=1.11

LINEA DE ALIMENTACIÓN

Y i=q

q−1X i−

Z F

q−1

Y i=1.111.11−1

X i –0.14381.11−1

Y i=10.0909 X i−1.3072

LINEA DE RECTIFICACIÓN

Y i=RR+1

X i+X D

R+1

Y i=2.7722

(2.7722+1 ). X i+

0.9650(2.7722+1 )

Y i=0.7349 X i+0.2558

EFICIENCIA GLOBAL DE LA COLUMNA

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nGC=NET−1NPR

x100

nGC=6−117

x 100

nGC=29.41%

3. Calcular la cantidad de vapor necesario para la operación continua. Este cálculo se efectúa haciendo un balance total de calor en la columna y se despeja la cantidad de vapor necesario para la rectificación.

Haciendo el balance global de de energía en el destilador:

QS=HV . D+HL . L−H F . F

Para la corriente de alimentación se tiene:

F=80% x1.64 LPM agua

100%=1.312 LPM agua

- Para corregir valores de rotámetro por cambio de densidad:

LPM agua=LPMmezcla x√ 7.02 ρ8.02−ρ

1.312 LPM agua=LPMmezcla x √ 7.02(0.9560)(8.02−0.9560)∴F=LPM mezcla

F=1.3460 LPMmezcla

Haciendo las conversiones necesarias:

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PM F=(0.1438 x32 )+(0.8562 x18 )=20.0132kg /kgmol

F=1.3460 Lmin

x60min1h

x(100cm)3

1000 Lx 0.9560

gcm3 x

1kg1000g

x1kgmol20.0132 kg

F=3.8578kgmol /h

PMD=(0.9649 x32 )+(0.0351 x18 )=31.5086kg /kgmol

D=0.1725 Lmin

x60min1h

x(100cm)3

1000Lx 0.7940

gcm3 x

1kg1000 g

x1kgmol31.5086 kg

D=0.2608kgmol /h

Para la corriente de residuo se tiene:

L=70% x1.64 LPM agua

100%=1.148 LPM agua

- Para corregir valores de rotámetro por cambio de densidad:

LPM agua=LPMmezcla x√ 7.02 ρ8.02−ρ

1.148 LPM agua=LPMmezcla x √ 7.02(0.9750)(8.02−0.9750)∴ L=LPMmezcla

L=1.1647 LPM mezcla

Haciendo las conversiones necesarias:

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PM F=(0.0775 x32 )+(0.9225 x 18 )=19.0850kg /kgmol

F=1.148 Lmin

x60min1h

x(100cm)3

1000 Lx 0.9750

gcm3 x

1kg1000g

x1kgmol19.0850kg

L=3.5188kgmol /h

Sustituyendo en la ecuación de balance:

QS=HV . D+HL . L−H F . F

QS=(10600kcal /kgmol ) (0.2608kgmol /h )+¿

QS=6200KCAL/HORA

QS=MV . λV ∴6200kcal /h=MV ¿

MV=11.49 kg /h

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CONCLUSIÓN

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