Destilacion Fraccionada

DESTILACIÓN FRACCIONADA

OBJETIVOS:

Conocer la destilación fraccionada como método de separación de los componentes de una mezcla líquida.

Separar una mezcla binaria aprovechando la diferencia de volatilidades

TEORÍA:

MÉTODO DE MCCABE-THIELE PARA EL CÁLCULO DEL NÚMERO DE ETAPAS TEÓRICAS

1. INTRODUCCIÓN Y SUPUESTOS

McCabe y Thiele han desarrollado un método matemático gráfico para determinar el número de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una mezcla binaria de A y B. Este método usa balances de materia con respecto a ciertas partes de la torre, que producen líneas de operación similares a las de la ecuación (10.3-13), y la curva de equilibrio xy para el sistema.

El supuesto principal del método de McCabe-Thiele consiste en que debe haber un derrame equimolar a través de la torre, entre la entrada de alimentación y el plato superior y la entrada de alimentación y el plato inferior. Esto se ve en la figura ll .4-2, donde las corrientes de líquido y vapor entran a un plato, establecen su equilibrio y salen del mismo. El balance total de material proporciona la expresión

Un balance de componentes con respecto a A da

Donde V,, + , son mol/h de vapor del plato n + 1, L, son mol/h de líquido del plato n, y,+, es la fracción mol de A en Vn+l, y así sucesivamente. Las composiciones y, y x, están en equilibrio y la temperatura del plato n es T,,. Si se toma T,, como referencia se puede demostrar por medio de un balance de calor que las diferencias de calor sensible en las cuatro corrientes son bastante pequeñas cuando los calores de disolución son despreciables. Por consiguiente, sólo son importantes los calores latentes en las corrientes V, + , y V,. Puesto que los calores molares latentes para compuestos químicamente similares son casi iguales, V, + 1 = V,, y L,, = L, _ , . Por tanto, la torre tiene un derrame mola1 constante.

2. ECUACIÓN PARA LA SECCIÓN DE ENRIQUECIMIENTO

En la figura ll .4-3 se muestra una columna de destilación continua con alimentación que se introduce a la misma en un punto intermedio, un producto destilado que sale por la parte superior y un producto líquido que se extrae por la parte inferior. La parte superior de la torre por encima de la entrada de alimentación recibe el nombre de sección de enriquecimiento, debido a que la alimentación de entrada de mezcla binaria de componentes A y B se enriquece en esta sección, por lo que el destilado es más rico en A que en la alimentación. La torre opera en estado estacionario.

Un balance general de materia con respecto a la totalidad de la columna en la figura ll .4-3 establece que la alimentación de entrada de F mol/h debe ser igual al destilado D en mol/h más los residuos W en mol/h.

Un balance total de materia con respecto al componente A nos da,

En la figura 11.4-4a se muestra esquemáticamente la sección de la torre de destilación que está por encima de la alimentación, esto es, la sección de enriquecimiento. El vapor que abandona el plato superior con composición y1 pasa al condensador, donde el líquido condensado que se obtiene está a su punto de ebullición. La corriente de reflujo L mol/h y el destilado D mol/h tienen la misma composición, por lo que y1 = xD. Puesto que se ha supuesto un derrame equimolar, Ll = L2 = L, y VI

= v*= v,= vn.

Efectuando un balance total de materia con respecto a la sección de líneas punteadas en la figura ll .4-4a,

Al despejar y, + ,, la línea de operación de la sección de enriquecimiento es

Para la sección de empobrecimiento: Las ecuaciones son:

La línea q, es donde se interceptan las líneas operantes:

DESTILACIÓN FRACCIONADA CON EL MÉTODO DE ENTALPÍA CONCENTRACION

DATOS DE ENTALPÍA-CONCENTRACIÓN

Un diagrama de entalpía-concentración para una mezcla binaria vapor-líquido de A y B toma en consideración los calores latentes, los calores de disolución o de mezclado y los calores sensibles de los componentes de la mezcla. Se requieren.10~ siguientes datos para construir dicho diagrama a presión constante: 1) capacidad calorífica del líquido en función de la temperatura, la composición y la presión; 2) calor de disolución en función de la temperatura y la composición; 3) calores latentes de vaporización en función de la composición y la presión o la temperatura; 4) punto de ebullición en función de la presión, la composición y la temperatura.

El diagrama a presión constante se basa en estados arbitrarios de referencia del líquido y en la temperatura, por ejemplo, 273 K (32°F). La línea de líquido saturado en la entalpía h kJ/kg (btu/lb,) o kJ/ kg mol, se calcula por medio de la expresión

Donde XA es la fracción mol o de peso de A, T es el punto de ebullición de la mezcla en K (“F) “C,

To es la temperatura de referencia, K, cpA es la capacidad calorífica líquida del componente A en kJ/ kg l K (btu/lb, l “F) o kJ/kg mal l K, cpB es la capacidad calorífica de B, y NYH es el calor de disolución a TO en kJkg (btu/lb,) o kJ/kg mol. Si hay un desprendimiento de calor durante la mezcla, el valor de la ecuación (ll .6-l) será un valor negativo. Muchas veces los calores de disolución son pequeños, como en las mezclas de hidrocarburos, y se desprecian.

La línea de entalpía del vapor saturado de H kJ/kg (btu/lb,) o kJ/kg mol de una composición de vapor yA se calcula mediante

Donde CpyA es la capacidad calorífica del vapor de A y CpyB es la de B. Los calores latentes HA y HB son los valores a la temperatura de referencia To. Generalmente el calor latente se da como Ab en el punto de ebullición normal TbA del componente puro A y h~b para B. Entonces, para corregir esto a la temperatura de referencia T. que se emplea en la ecuación,

En la ecuación, el líquido puro se calienta de T. hasta TbA, se vaporiza a TbA y luego se enfría como vapor a To. Del mismo modo, la ecuación también se cumple para hB. Por conveniencia, la temperatura de referencia T. se suele tomar como igual al punto de ebullición del Componente de menor punto de ebullición, A. Esto significa que hA = hAb. Por lo tanto, sólo hb se debe corregir a AB.

PROCEDIMIENTO:

Preparar una solución alcohol-agua al 10 % aproximadamente.

Alimentar 100 L. de esta solución al tanque de alimentación.

Alimentar calor al sistema.

Regular los flujos de entrada y el reflujo.

Alimentar hasta el octavo plato de la torre.

Esperar a que se alcance el estado estacionario.

Muestrear continuamente la composición del líquido de cada plato.

Analizar la composición del destilado.

TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS

PLATOS T ( F ) concentración

X

1 209.7 1

2 209.5 1

3 nada 2

4 207.7 4

5 206 4

6 nada 4

7 199.8 6

8 197.2 8

9 201.2 9

10 nada 9

11 nada 12

12 195.6 12

13 195.2 12

14 nada 12

15 nada 12

16 nada 15

17 nada 15

18 nada 15

19 nada 15

20 182.7 15

TD TF TW TS TENRADA TSALIDA °C FLUJO KG/MIN

74 75 195 205 171.1 26.5 4.7356

CORRIDA

COLAS (10 MINUTOS) kg/min mol/min

W COLA= 13.3006 Kg 1.33006 68.5597938

Xw = 5 0.05

MM 19.4 g/mol

DESTILADO (20 MINUTOS) kg/min mol/min

D= 4.4693 KG 0.223465 5.13948942

XD= 91 0.91

MM 43.48 g/mol

Masa molecular

Agua 18 g/mol

Etano 46 g/mol

S Kg= 3.5674

CON EL MÉTODO DE MC CABE-THIELE

Con nuestro xD y tomando el equilibrio se toma el intercepto x_D/(R+1)

Con x_D=0.91

x_D/(R+1)=0.455 Observado en la grafica del equilibrio

R=(x_D-0.455)/0.455=1 Rmin=1; con un reflujo de 1 R_(real=) R_min (reflujo)=1*1=1

x_D/(R+1)=0.91/2=0.455 Intercepto

Calculando la línea q:

Entalpias

H 21000 Btu/lbmol

Hf 12500 Btu/lbmol

h 3700 Btu/lbmol

q entalpias 1.09

Con esto se roturaron los platos en la grafica y se obtuvieron 11 platos y la alimentación en el plato 3.

η=(P ideales)/(P reales)=20/11=1.81

DISCUSION DE RESULTADOS

En esta práctica tuvimos algunos problemas ya que la primera ves que la realizamos se nos inundo la torre, ye en nuestra segunda ves que la hicimos la logramos desarrollar de manera rápida lo que cada quién se iba a encargar de realizar para la elaboración de la misma, ya que unos median las concentraciones de cada corrida y las colas, así como del destilado; como también mantenían el flujo constante y la presión.

Fue interesante esta práctica ya que al ver nuestros resultados y al calcularlos pudimos observar en gran parte la mayoría de los conceptos aprendidos.

CONCLUSIÓN

Mediante éste experimento, se evalúa que la columna de destilación opera de manera muy eficiente y que está diseñada de muy buena manera ya que tiene los necesarios platos como ya se confirmó en los resultados de la práctica.

Este tipo de proceso de forma fraccionada, se obtiene mayor eficiencia ya que se tiene más contacto superficial, y se logra varias zonas en equilibrio (que se logra en cada plato), así logrando una mayor transferencia de masa.

Por ello, para la utilización de esta operación unitaria, se frecuenta utilizar una mezcla para la obtención de un soluto que es caro y que se quiere tener la recuperación mayor posible de éste material.

BIBLIOGRAFIA

Operaciones de transferencia de masa, Robert Treybal 2° edición. P: 410-445

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