2132498 Rivera.docx

ASIGNACIÓN NO.3 DESTILACIÓN

WENDY JOHANNA RIVERA VELÁSQUEZ CÓD: 2132498

GRUPO: D2

DOCENTE:

LILIANA DEL PILAR CASTRO MOLANO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

2019

PROBLEMA Se va a fraccionar 1000 lb/h de una solución de acetona y agua, que contiene 25% en peso de Acetona a presión atmosférica. Se requiere recuperar el 99,5% de la acetona, la cual saldrá por el destilado a una concentración de 99% en peso. La alimentación se tendrá a 26,7 ºC y se precalentará mediante un intercambio calórico con el flujo del residuo de la torre, que a la vez se enfriará a 51,7 ºC. Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37,8 ºC utilizando aguade enfriamiento que entra a 26,7 ºC y sale a 40,6 ºC. El reflujo regresará a 37,8 ºC a una relación de 2,27 con respecto al mínimo. Se utilizará vapor de agua indirecto como medio de calentamiento del rehervidor a 1,5 KgF/cm^2. La torre estará aislada. Calcule: a) Flujos del Destilado y Residuo por hora, y composiciones molares xD y xW. b) Temperatura de alimentación c) Reflujo Externo, y Reflujo internos en ambas zonas. d) Flujos de Liquido y vapor en ambas zonas e) Numero de etapas teoricas, y ubicación del plato de alimentación. f) Numero de platos reales si la eficiencia es del 60% g) Carga calórica del Condensador, y flujo de agua de enfriamiento, por hora. h) Carga calórica del Rehervidor, y flujo de vapor de agua, por hora.

a. Especifique el tipo de condensador, rehervido, el tipo de columna y platos que va a usar. Justifique su respuesta a las decisiones seleccionadas. El tipo de condensador para la torre de destilación etanol agua presentada en el problema es total, esto debido a que el manejo de la acetona en estado de vapor es muy complejo debido a su alta volatilidad, por esta razón no es conveniente el uso de un condensador parcial. (Young, 1922) El rehervidor manejado para este problema es parcial porque se busca tener la menor concentración posible en los fondos, de esta manera cuando baja el fluído L’, se espera que la mayor parte de acetona en este vuelva a subir, haciendo mínima la cantidad de desechos y haciendo necesario un proceso de tratamiento menos peligroso y más sencillo. (Young, 1922) El tipo de columna para este problema será de destilación binaria continua, debido a que se busca separar unicamente dos componentes y como se evidencia, el caudal a manejar es demasiado alto como para trabajar una corriente por lotes, esto gracias a que la acetona es un producto industrial con alta demanda comercial. (Navas 2004)

b. Especifique el estado termodinámico de la alimentación y su composición. Justifique su respuesta. La acetona es un compuesto altamente volatil e inflamable, un pequeño error en el diseño de esta torre puede costar desde el daño en equipos hasta la salud de los operarios, la concentración de estas sustancias a las torres de destilación es muy baja debido a que esto me permite un mejor control de la torre gracias a una mayor facilidad en el manejo de las corrientes con esta caracteristica. El estado de la alimentación a una torre de destilación cuando se manejan compuestos muy volátiles debería ser como líquido saturado, ya que si la sustancia se encontrara como vapor, el manejo de esta sería muy complicado y una falla en esto debido a la complejidad de su manipulación puede causar accidentes muy graves como se mencionó anteriormente, por esto, para este problema en específico se utiliza el material de los fondos para que realice un intercambio de calor con el flujo de entrada haciendo que este sea más cercano al líquido saturado y no se encuentre como una mezcla entre vapor y líquido. (Coulson, Richardson, 1981) b. Especifique la composición del destilado y de los fondos. La composición del destilado es dada en peso a peso, por medio de los cálculos correspondientes se encuentra que esta es de 0,9684, la composición en el fondo se calcula como 0,000518

La composición en el destilado para el caso de la acetona en la mayoría de los casos se requiere muy alta debido a que se utiliza como disolvente para grasas, aceites, hules, plásticos, entre otros, además de tener utilidad para la manufactura de explosivos, rayón, elaboración de pinturas y barnices, deshidratación y endurecimiento de tejidos, sin embargo al ser tan pura, es de un manejo no tan fácil, ya que es altamente inflamable y presenta niveles de toxicidad, que con un mal manejo industrial puede causar en los operarios irritación en los ojos y piel, por lo que es un proceso que necesita de un gran control, que prevenga accidentes en la planta. (Young, 1922) La acetona es un compuesto muy fácil de degradar en la naturaleza, esta no se adhiere a partículas en el suelo ni se acumula en animales, se degrada por l.os microorganismos presentes en el suelo y el agua, sin embargo en el ambito insustrial, esta no se puede verter como desecho ya que al tirarse al drenaje se pueden alcanzar niveles explosivos, gracias a que la concentración en los fondos es mínima, esta se puede absorber utilizando arena, cemento en polvo o tierra, para mantenerla en un area segura antes de su incineración. (Young, 1922) El tipo de platos más conveniente para realizar esta operación, son los de campana, esto debido a que permiten un mejor control del proceso impidiendo el goteo. El vapor pasa por la campana y el líquido no tiene otra alternativa más que descender por sus espacios designados, diferente al caso donde solo están los orificios, en donde el líquido y el vapor pueden pasar por el mismo punto, a pesar de ser más económicos el que presenten este inconveniente, puede alterar todo el sistema. (Pérez, 2007) c. Determine la relación de reflujo mínima y el número de platos. ¿Qué sucede si la torre opera a esta relación de reflujo?

Curva de eqilibrio 1.2 1

LOF

0.8

2 1 4 3

5 6

0.6 0.4 7 LOA

0.2 0 0

8

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Para cálcular el Rmin hay que tener en cuenta la estricción que presenta la gráfica en la zona de enriquecimiento, ya que si se conecta directamente con el punto de corte entre la alimentación y el equilibrio, la linea del Rmin cortaría varias veces la curva, teniendo esto claro, el punto de corte de esta linea con el eje y es igual a 0,34, para lo cual Rmin es 1,8484 (Torres, 2008). La teoría indica que cuando hay reflujo mínimo, la cantidad de platos debe ser infinita para que el proceso logre llegar a las composiciones planteadas, en este caso, se calculan gráficamente 8 etapas, es decir, la torre debe tener 7 platos, por lo tanto, realizando los cálculos necesarios, se puede decir que para que la concentración de destilado sea igual a 96,84% y su corriente sea 2kmol/h, se necesita una corriente de líquido en el reflujo de 3,7kmol por hora, que cumplen con los requerimientos en los anteriores 7 platos, sin embargo este es un caso hipotético, ya que claramente la torre en la realidad no puede trabajar a estas condiciones.

d. Determine la relación de reflujo máxima y el número de platos. ¿Qué sucede si la torre opera a esta relación de reflujo?

3 4

5

6

21

El número de platos para el reflujo máximo se obtiene cuando este valor tiende a infinito, en el que su pendiente coincide con la línea x=y, donde al realizar se cuentan seis etapas con el equilibrio, para que la torre opere a esta condición, es necesario que se regrese todo el vapor condensado como forma de reflujo y que además todo el líquido de los residuos se pase por el hervidor, lo cual hace que los flujos de residuo y destilado sean iguales a cero, al igual que la alimentación a la torre, en la cual igualmente para que esto se pueda dar, se deduce que los tamaños del condensador y del hervidor son infinitos. e. Determine la relación de reflujo de operación, los platos ideales y reales.

La relación de reflujo es igual a 2,27 veces el reflujo mínimo y los platos reales para una eficiencia del 60%

f. Flujos másicos de destilado y fondos

g. Calores y flujos másicos requeridos en condensador y rehervidor Para este caso se calcula inicialmente el calor en el condensador, para evitar que el error debido a las suposiciones de las válvulas isoentálpicas sea más grande, no se realizará balance en el rehervidor como tal, la fórmula mostrada en Excel para hallar este calor que se aplicó será la de un balance global, luego se procede a calcular la masa de agua en cada intercambiador de calor, a continuación, se muestran los resultados:

h. Si el condensador de la torre solo funcionara como un condensador parcial, que cambios deberá realizar en la torre (considerando que ya está construida) para poder cumplir con las especificaciones de producto residuo requeridas) JUSTIFIQUE SU RESPUESTA Para el caso en el que la torre disponga de un condensador parcial, este se cuenta como una etapa más en el proceso, es decir, si el proceso contaba con 6 platos, ahora tendrá 5, de modo tal, que con un condensador total por ejemplo, la alimentación para este problema se daba en el plato 6, con este cambio, esta entrada de la mezcla pasa a estar en

el plato 5, a demás debido a la pérdida de flujo en forma de vapor, y gracias a esta etapa menos, también se encuentra necesario un aumento en el reflujo, para que la concentración del destilado sea la que se indica en el problema. i. •

Evalúe los siguientes cambios en el sistema (teniendo en cuenta que la torre ya está construida: Cambie la composición de la alimentación por arriba y por debajo del actual

Balance de masa El caso presentado trabaja con una concentración en la alimentación de 0,09375, al cual se le va a realizar un aumento por arriba hasta 0, 1714 y por abajo hasta 0,0333, uno de los cambios iniciales que se puede analizar es si el plato de la alimentación cambia, para este caso en específico es muy difícil que este plato cambie, ya que el plato 6 es el plato más grade y toda la línea de alimentación pasa por este, de modo que solo puede cambiar esta ubicación si se cambia la línea de alimentación. Respecto al destilado se observa que si aumenta la concentración, de igual forma lo hace la cantidad de material destilado, esto debido a que para este caso va a ser necesario retirar una mayor cantidad del compuesto más volátil para que se cumpla la relación dada en el problema donde se especifica que se recupera el 99,5% de la cantidad que ingresa, este mismo análisis se cumple para el caso donde la concentración de la alimentación disminuye, en el cual por la justificación anterior, la cantidad de materia destilada será menor. La cantidad de materia en los fondos va a ser menor cuando se aumenta la concentración, porque de igual forma, al destilarse más producto de un mismo flujo inicial, queda una menor cantidad en el fondo de la torre que compensa la mayor cantidad en el destilado, de igual forma en el caso donde se disminuye la concentración entonces va a ocurrir un caso inverso, como se destiló una menor cantidad, para que se cumplan las ecuaciones de balance con el reflujo indicado entonces los fondos será mayor. Para este problema en específico hay que determinar la concentración en los fondos, cuya variación dependiendo de la concentración inicial no es difícil de comprender si se relaciona con los análisis para el flujo realizados anteriormente, la ecuación utilizada para encontrar este dato es: 𝑋𝑊 =

𝐹 ∗ 𝑋𝐹 − 𝐷 ∗ 𝑋𝐷 𝑊

Para el caso donde la concentración en la alimentación aumenta, se demostraron previamente las razones por las que el flujo de los fondos va a ser menor, este factor divide la ecuación, entonces al ser menor que para el caso inicial, la concentración calculada será mayor, del mismo modo se realiza el análisis para una disminución en la

concentración de la alimentación, caso para el cual la concentración de los fondos calculada será aun mas pequeña que las anteriores. Las cantidades de vapor y líquido en la parte superior de la torre también guardan relación con los análisis que se realizan al balance de masa, ya que para el caso donde la concentración de la alimentación aumenta, entonces una mayor proporción de este flujo irá hacia la parte superior, por lo que estos valores también tienen que ser mayores, caso contrario para la disminución en la concentración de la alimentación donde los flujos de V y L son menores en la zona de enriquecimiento por este mismo motivo.

INICIAL

AUMENTO

DISMINUCIÓN

BALANCE DE ENERGÍA En este caso se observa que para un aumento en la concentración de la alimentación el calor que se retira para que se de la condensación es mucho más grande, esto debido a que hay una mayor cantidad de producto destilado, de la misma forma, se necesita menos calor para destilar cuando la concentración es menor, debido a que la cantidad destilada es mas baja para esta pequeña concentración; este mismo análisis se da para el agua que realiza el intercambio, es necesaria una mayor cantidad, a la mismas temperaturas dadas, en el caso que se necesite destilar un mayor flujo, y una menor cantidad de agua para destilar un flujo menor, como es el caso para la menor concentración en la alimentación. INICIAL

AUMENTO

DISMINUCIÓN

•

Cambie el estado termodinámico de la alimentación

Al cambiar el estado termodinámico de la línea de alimentación para este problema únicamente cambian los balances de masa respecto a los reflujos internos de los fondos, para el problema inicial se manejaba líquido subenfriado, el cual se cambió a una mezcla de líquido con vapor, antes el flujo de líquido era mayor en los fondos ya que todo lo que entraba era líquido, para en nuevo caso será menor ya que una parte de la alimentación entra como vapor y va hacia la parte superior de la torre, de mismo modo el flujo de vapor en el fondo de la torre será menor ya que para que el balance de masa global no cambie, se necesita la misma corriente en los fondos para una menor cantidad de fluido que entra, lo cual se cumple debido a que el vapor que sube desde los fondos es menor. Para el caso de la gráfica, muchas veces esta línea es de gran importancia para definir el plato de alimentación, sin embargo, el plato de alimentación para en caso inicial es tan grande, que al cambiar el estado de la línea de alimentación es el mismo, de igual forma, el número de platos de la torre no cambia.

LOF VAPOR+ LÍQUIDO

SUBENFRIADO

VAPOR Y LÍQUIDO

•

La composición de destilado

BALANCE DE MASA





Para este caso la cantidad de masa que sale del destilado será mayor, debido a que se necesitará una mayor cantidad de agua en el que este se encuentra disuelto, por esta razón también los valores para L’ Y V’ son mayores, se necesita una mayor cantidad de materia en la torre para cumplir este objetivo. Respecto a los reflujos internos, el Rmin disminuirá para poder cumplir la ecuación con la que se halla el reflujo interno, donde este y la composición del destilado se observan directamente proporcionales. 0,34 =



𝑋𝐷 (𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1)

La relación de reflujo y reflujo mínimo se conserva, y con esto también se hace que el reflujo real sea menor que el del ejercicio con una mayor composición en el destilado.

INICIO

DISMINUCIÓN

GRÁFICA Con el nuevo dato para el reflujo se calcula el punto de corte en el eje y para la nueva línea de alimentación, esta es la línea negra que se observa en la gráfica, claramente en este caso, no se puede realizar el problema, ya que la línea de alimentación pasa sobre la de reflujo mínimo, por lo tanto se debe aclarar en este punto que los cálculos presentados para este análisis, se realizarán suponiendo que esto no sucede, lastimosamente, no se puede brindar un dato de cambio de número de etapas ya que es imposible contarlas con esta situación.

INICIO

MENOR XD

BIBLIOGRAFÍA      

Coulson, J. M., Richardson, J. F., (1981), Ingeniería química, operaciones básicas, Barcelona, España, Editorial Reverté S.A. Wankat, P. C., (2008), Ingeniería de procesos de separación, México, Pearson Education. Young, S., (1922), Distillation principles and processes, London, Macmillan and CO. McCabe, W. L., Smith, C., Harriot, P. (2007), Operaciones unitarias en ingeniería química, Mc Graw Hill. Navas, S., (2004), Control de columnas de destilación, (proyecto fin de carrera). Pérez, José., (2007), Diseño de una planta para la separación de parafinas lineales procedentes de queroseno, Universidad de Cádiz.