Lem v reporte torre de platos

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Campo 1.

Laboratorio Experimental Multidisciplinario V

Reporte

Destilación en Torre de Platos

Profesoras:

Mayen Santos Elvia Sixto Berrocal Ana María

Integrantes del Equipo

Aguilar Miranda Daniel Alejandro Fonseca Hernández Sergio Santiago González González Adriana Lara López Felipe de Jesús Martínez García Mario Ramírez García Magdalena

Destilación en Torre de platos

INTRODUCCIÓN.

La destilación es un método para separar los componentes de una solución con diferentes puntos de ebullición.

Los equipos comúnmente utilizados para llevar a cabo una destilación fraccionada, son las torres de platos, representadas en la figura 1.

Fig. 1: Torre de destilación.

Su funcionamiento es el siguiente: El líquido desciende por la torre bajo la acción de la gravedad, mientras que el vapor asciende debido a la fuerza de una ligera diferencia de presiones de plato en plato. La presión más elevada se produce por la ebullición en el rehervidor inferior.

El vapor pasa a través de aberturas en cada plato y entran en contacto con el líquido que circula a lo largo del plato. Si el mezclado del vapor y del líquido en los platos fuese suficiente para alcanzar el equilibrio entre las corrientes de vapor y líquido que abandonan el plato, entonces cada plato proporcionaría la acción de una destilación simple.

Con objeto de obtener un buen contacto entre las fases y proporcionar el necesario desprendimiento del vapor y líquido entre las etapas, el líquido se retiene en cada plato mediante una prensa, sobre la que el efluente líquido pasa.

Para alcanzar la siguiente etapa, éste efluente líquido desciende a través de un comportamiento separado, denominado conducto de bajada o desagüe. Es importante hacer notar, que el desagüe debe proporcionar el volumen suficiente y un tiempo de residencia adecuado para que el líquido se desprenda del vapor arrastrado antes de llegar a la siguiente etapa, como se muestra en la figura 2.


Fig. 2: Plato perforado Fig. 3: Plato con borboteadores

El condensador toma el vapor del domo de la columna y licúa una porción del mismo regresándolo a la torre como reflujo.

El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o torre sólo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio. La eficiencia de la etapa o plato y por lo tanto, el número de platos reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se verificó que el tanque de alimentación a la torre estuviera lleno o con cantidad suficiente para llenar la torre.

Se verificó que todas las válvulas estuvieran cerradas, en especial las de reflujo, las de descarga de la torre y las de descarga de los tanques de condensado.

Para obtener agua de enfriamiento, se usó la torre de enfriamiento.

Antes de echar a andar la torre de enfriamiento se cerraron las válvulas de paso del servicio y se abrieron las que alimentan directamente de la torre y las de recirculación a la torre de enfriamiento.

Se echó a andar la torre de enfriamiento, para trabajar con los condensadores de la torre de platos.

Se empezó a cargar poco a poco la torre empezando por el reboiler, abriendo la válvula y encendiendo la bomba, después de haber cargado por completo se paro la bomba y se cerró la válvula; cabe mencionar que se alimentó por el plato 4 a la torre.

Posteriormente se alimento el vapor hacia el reboiler dejando una presión de alimentación fija; hasta alcanzar una T en el reboiler de 80º C, esto para empezar a vaporizar y obtener condensado en el domo.


Se verificaba cada cierto tiempo el nivel en el tanque de condensado del domo de la torre.

A partir de el momento en que el tanque de condensados se llenó, se fijó el reflujo.

A partir de este momento se fueron tomando muestras de cada uno de los platos , se tomó el índice de refracción hasta que dejó de variar.

Cuando fueron constantes los índices de refracción para cada etapa, se tomo la muestra final de el condensado y se midió el volumen obtenido de este, así como el de fondo en el reboiler con su correspondiente índice de refracción.

Finalmente se regresaron los líquidos de los condensados al tanque de alimentación.

RESULTADOS EXPERIMETALES.

ANALISIS DE RESULTADOS.

Para obtener las composiciones de cada plato se utilizo la curva de calibración de índice de refracción vs concentración de etanol a 586 mmHg. A si para cada uno de los índices de refracción obtuvimos la composición en la fase liquida de la destilación.

Tabla 2: Fracción mol de etanol en fase liquida para una destilación en torre de

platosNo Plato T ° C In.Rec Xliq

1 78 1.36575 0.452 80 1.34625 0.0853 75 1.3425 0.064 81 1.341 0.0555 83 1.34 0.056 80 1.34 0.057 80 1.3395 0.0458 83 1.3335 0

A si mismo, para obtener la composición del etanol en la fase vapor se utilizo en diagrama 2 de temperatura vs concentración en donde al conocer el valor de la composición de la fase liquida, podemos conocer el valor de la concentración en fase vapor debido a que ambas fases se encuentran en equilibrio, las composiciones en la fase vapor se presentan en la tabla 3:

Tabla 1: Resultados experimentales para una

destilación en torre de paltos No Plato T ° C In.Ref

1 78 1.3592 80 1.3463 75 1.3464 81 1.345 83 1.3396 80 1.3397 80 1.3388 83 1.338


De esta manera se puede trazar la línea de equilibrio junto con la línea de operación, se trazo primero un diagrama teórico para el sistema etanol agua con los datos reportados en literatura. Estos se presentan el la tabla 4.

Una vez trazado el diagrama teórico, sobre este se trazo nuestra grafica experimental (ver diagrama 3) y a si obtuvimos el número de etapas obtenidas (ver diagrama 4) o platos reales, de los cuales se calculo la eficiencia por medio de la ecuación de Murphee:

Tabla 3: Fracción de etanol en la fase vapor para una destilación en torre de platos

No Plato T ° C In.Rec Xliq Yvap

1 78 1.36575 0.45 0.662 80 1.34625 0.085 0.363 75 1.3425 0.06 0.3054 81 1.341 0.055 0.295 83 1.34 0.05 0.276 80 1.34 0.05 0.277 80 1.3395 0.045 0.238 83 1.3335 0 0

Tabla 4: Datos teóricos de composición y temperatura para

el sistema etanol-agua a 586 mmHg

t °C X Y92.8 0 085.6 0.05 0.27581.7 0.1 0.479.3 0.15 0.47577.7 0.2 0.52576.5 0.25 0.56575.7 0.3 0.59575 0.35 0.62

74.4 0.4 0.6473.9 0.45 0.6673.5 0.5 0.6873.2 0.55 0.70572.8 0.6 0.72572.5 0.65 0.7572.2 0.7 0.77572 0.75 0.805

71.9 0.8 0.83571.8 0.85 0.8771.7 0.9 0.971.8 0.95 0.9571.9 1 1


EG=Y n−Y n+1

Y¿n– Y n+1

En nuestro caso el número de paltos reales fue de 5, de los cuales la eficiencia se presenta a continuación:

EG 1=0.630−0.450.640−0.45

=0.9473

EG 2=0.450−0.190.52– 0.19

=0.7878

EG 3=0.19−0.090.350– 0.09

=0.3846

EG 4=0.09−0.060.30 – 0.06

=0.125

EG 5=0.06−0.050.28−0.05

=0.0434

EG 7=0.05−0.040.27−0.04

=0.0434

EG 8=0.04−0

0−0=0

La eficiencia de los platos es la aproximación fraccionaria a la etapa en el equilibrio que se obtiene con un plato real. La eficiencia de Muphree es muy conveniente para diagramas de McCabe-Thiele, esta fue la calculada anteriormente, pero como puede observarse esta se calcula utilizando solo las condiciones de operación, por tanto pueden no ser tan exactas por tal motivo es conveniente compararlas con un método teórico mejor establecido como lo es el método A.I.Ch.E para la predicción de eficiencias en los platos para una torre de destilación.

Este método solo se puede aplicar cuando en la torre h ay platos con borboteadores, para nuestro caso, la torre instalada en el LEM tiene 4 platos de este tipo, por lo que solo se llevo acabo el cálculo de las eficiencias A.I.Ch.E., para estos platos que se encuentran en la parte inferior de la torre de destilación.

Método A.I.Ch.E para la predicción de eficiencias de platos con borboteadores.


Hay que calcular las NTU para la fase gas, estas se calculan con la siguiente formula:

(NTU )G=0 .776+0 .116W−0 . 290 F+0 .217 L

(NSC )1/2

En donde:

(NUT)G = Numero de unidades de transferencia de masa para la fase gas

W = Altura de la presa a la salida. 1.5 in.

F = factor definido como el producto de la velocidad del gas (ft3/s ft2) del área de borboteo del

plato y la raíz cuadrada de la densidad del gas (lb/ft3)

NSC = Numero de Schimidt a dimensional en la fase gaseosa.

L = Es el caudal del liquido (gal/min ft anchura promedio de la columna)

Para poder calcular F tenemos la siguiente ecuación:

F=UG×√ρG

En donde: UG = velocidad del gas, pies3/(s)(pies2 de área de borboteo del plato)

UG=L0

Aborboteo

ºº

L0=0.70Lmin

=0.0004120ft3

s

Aborboteo=N borb π r2=

π (0 . 25in )2

4∗10=0. 4908 in2∗ 1 ft2

144 in2=3 . 4 x 10−3 ft2

Por lo que a si UG nos queda como:

UG=0.0004120

ft3

s3.4 x10−3 ft2 =0.1211

fts

Y ρG = densidad del gas, lb/pies3

ρgas=1V

=PM prom

RT


De donde Mprom es el peso molecular promedio de la mezcla.

M prom=(Xet )(M et )+(XH 2O)(MH

2O )

Tabl5: Calculo de Mprom, densidad y velocidad del gas para el sistema etanol-agua

No Plato T °C X Mprom G F5 83 0.05 4.19056081 0,000291468 0,002067476 80 0.05 4.19056081 0,000293944 0,002076237 80 0.045 4.21224499 0,000295465 0,00208168 83 0 4.40740268 0,00030655 0,00212029

Una vez calculado F, calculamos L que es el caudal mojado del líquido, gal/(min)(pie de anchura promedio de la columna). Anchura promedio = 0.42967ft

Caudal mojado = 0.70Lmin

=0.1849galmin

NSc es el número de Schmidt de la fase gaseosa:

N SC=μmez

ρGD AB

De la ecuación anterior ya tenemos la densidad del gas y la difusividad se obtuvo a partir de la ecuación de Wilke-Lee.

DAB=10−4(1 . 084−0 .249√1/M A+1/MB)T

3 /2√1 /M A+1 /M B

Pt (rAB )2 f (kT /εAB )

A si como la viscosidad de la mezcla se calculo con la siguiente ecuación:

Ln( μmez )=x Ln ( μA)+(1−x )Ln ( μB)−0 . 44 x (1−x )

Con la tabla de datos se procede a calcular la difusividad

M k r Pt46 425 0,3626 77993,418 809,1 0,2641 77993,4

Donde:


Como se observa la función de choque está en función de la temperatura, la cual se

proporcionan los valores en grados Kelvin y a partir de una gráfica de función de choque

(fig.2.5, pag.36, operaciones de transferencia de masa. Robert E. Treybal) se obtienen los

valores de la difusión.

Calculando los datos necesarios se obtiene la siguiente tabla:

No Plato T °K F DAB NSc L W NTUG

5 356,15 0,000925 2,606E-05 14,0571 0,1849 0,125 0,22138232

6 353,15 0,000929 2,601E-05 14,0867 0,1849 0,125 0,22114859

7 353,15 0,000931 2,601E-05 14,0222 0,1849 0,125 0,22165653

8 356,15 0,000948 2,606E-05 13,4275 0,1849 0,125 0,22650886

Para calcular la retención del líquido Zc, expresado en pulgadas, tenemos la expresión:

ZC=1.65+0 .19W +0 .20 L−0.65 F

El tiempo de contacto promedio del líquido en segundos tL:

tL=37 . 4 ZC Z L

LZl es la distancia recorrida por el líquido en el plato, en pies.

ZL=DI−2Media luna=0.505 ft−0.166 ft=0.338 ft

Una vez obtenidos los cálculos anteriores se obtiene la siguiente tabla:

No Plato Zc tL

5 1,63616901 29,5473426 1,63616646 29,5472967 1,6361649 29,5472688 1,63615366 29,547065

Se predice un valor para (NTU)L, de la fase líquida:

(NTU )L=(1 . 065∗104∗DL)1/2 (0.26 F+0 .15 )t L


Donde DL es la difusividad de la fase líquida, pies2/h, y se obtuvo a partir de la correlación de Wilke y Chang (Treybal).

DAB=(117. 3∗10−18)(ϕM B)

0 .5T

μsol νA0 .6

MB = Peso molecular del disolvente (agua) = 18.02VA= Volumen molar del soluto en el punto de ebullición normal = 0.0756 m3/mol, obtenidos de la Tabla 2.3 de la Referencia 1. φ = 2.26, obteniéndose lo siguiente:

No Plato DABL NTUL

5 0,0002906 7,8095896 0,0002881 7,7766687 0,0002881 7,7766938 0,0002906 7,809835

Se combinan (NTU)G y (NTU)L, para predecir la eficiencia puntual EOG:

1−Ln(1−EOG )

= 1(NTU )OG

= 1(NTU )G

+ λ(NTU )L

Donde λ es la razón de las pendientes de la curva de equilibrio y la línea de operación, aquí la pendiente de la línea de operación es igual a 1 y las pendientes de las curvas de equilibrio se calcularon para cada etapa.

No Plato NTUG NTUL λ EOG

5 0,22147072

7,809589 1,113 0,2395

6 0,22123727

7,776668 2,002 0,2328

7 0,22174565

7,776693 3,286 0,2248

8 0,22660162

7,809835 3,175 0,2306

Se calcula un valor para la difusividad efectiva en la dirección del flujo del líquido como sigue:

DE

0. 5=0 .0124+0 .017UG+0 .00250 L+0 .0150W

DE [=] ft2 /s

Se calcula el número de Peclet, NPC

N PC=ZL2

DE( tL)

No Plato DE NPC λEOG

5 0,12959919

2,98476343

0,26650488


6 0,12959919

2,98477383

0,46590211

7 0,12959919

2,98478019 0,7383232

8 0,12959919

2,98482609

0,73181112

Se obtiene la razón EMV / EOG a partir de la figura 12-20 del King pag. 658. Para poder utilizar la figura necesitamos del conocimiento de EOG, λ y NPC.

Ya que en la grafica tenemos en Y (EMV / EOG), mientras que en X (EOG* λ) y entramos a la línea con el NPC.

No Plato EMV/EOG EMV

5 1,15 0,275298886 1,17 0,272329297 1,18 0,265155168 1,18 0,27201712

Se obtiene la cantidad de arrastre de la figura 12-6 del King pag 620, con ayuda de la tabla 12-3 del King pag 615. Además de calcular Ueng con la siguiente ecuación:

U eng=K V ( ρL−ρGρL )

0 . 5

Porcentaje de agotamiento¿100( U G

U anegamiento)

Plato L/G(ρG/ρL)1/2 Kv Uaneg Porcentaje

40,01653759 0,18

2,00444049

6,04158621

30,01653759 0,18

2,00444049

6,04158621

20,01653759 0,18

2,00444049

6,04158621

10,01653759 0,18

2,00444049

6,04158621

De acuerdo a la gráfica el arrastre fraccional está por debajo d0.0015


CONCLUSIONES

Con la práctica realizada en la torre de destilación de platos se puede concluir que:

Se han cumplido los objetivos que eran:

Comprender el funcionamiento de una torre de destilación de platos

Se han podido relacionar las variables de operación de diseño de la columna con las

variables de separación.

Se han aprendido los conceptos de eficiencia, etapa real y numero de platos reales.

Además da haber cumplido los objetivos planteados también se puede concluir que de acuerdo a

las eficiencias calculadas, la torre que se cuenta en el LEM tienen una baja eficiencia para la

destilación, aunque para su tamaño que tiene se puede considerar buena ya que cuenta con

dimensiones pequeñas lo que dificulta la trasferencias de masa en entre el liquido y el vapor

generado.

Por otra parte se concluye finitamente que el método de cálculo de la AIChe proyecta un cálculo

de eficiencias aparentemente más homogéneo y uniforme que el que se realiza para la eficiencia


de Murphree, esto se puede deber principalmente a que la AIChe es un procedimiento

especializado en que se invirtió bastante tiempo de investigación para un tipo de plato

determinado, lo cual redunda principalmente en una confiable determinación de eficiencias pero

al mismo tiempo limita el cálculo de las mismas a sólo el tipo de platos de son de borboteo,

limitante que no se tiene presente con la eficiencia de Murphree.

BIBLIOGRAFÍA

Robert, E. Treybal. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Ed. McGraw Hill. 2ª edición. México 1988.Robert, H. Perry. “Manual del Ingeniero Químico”. Ed. McGraw Hill. 6ta edición. México 2001. Judson, C. King. “Procesos de Separación”. Ed. Reverté. España 2003.Tesis para obtener el Título de Ingeniero Químico presenta: Jesús Alejandro Arreola Hernández. ”Estudio y Análisis de Columnas Experimentales de Destilación de Platos con Borboteadores. Cuautitlan Izcalli, Estado de México, 1993.

Engineering

Lem v reporte torre de platos