Teoricas Ind2 - Tp - Rectificacion

T.P. Nº5 RECTIFICACIÓN GRUPO: 3

Prof.Resp Monografia: Ing Mendoza INTRODUCCIÓN TEÓRICA DESTILACIÓN: Es la separación de los constituyentes de una mezcla de liquido por vaporización parcial de la misma y la recuperación del vapor y del residuo. Los constituyentes más volatiles de la mezcla inicial se obtienen en creciente concentración en el vapor, los menos volátiles en concentración mayor en el residuo líquido.

2) LEY DE DALTON: En una mezcla gaseosa la presión parcial de cada componente es proporcional a su fracción molar en dicha mezcla: pA=P . y pB=P . (1-y) 1

LEY DE HENRY: Siendo x la fracción molar del componente A en la solución se cumple: pA=H . x

(siendo H la constante de Henry)

LEY DE RAOULT: Para altas proporciones del compuesto A se cumple que la presion parcial de equilibrio de un constituyente a una temperatura determinada es igual al producto de su presión de vapor (P) puro a esta temperatura por su fracción molar en el liquido. pA=PA . x La ley de Raoult se cumple para el solvente y la de Henry para el solvente.

3)DIAGRAMAS DE LOS PUNTOS DE EBULLICIÓN mezcla ideal: mezcla azeotropica de pto. de eb. minimo: mezcla azeotropica de pto. de eb. maximo:

4) DIAGRAMA DE EQUILIBRIO: Este diagrama es una curva f(x) y para las soluciones ideales responde a la figura siguiente:

Esto se usa en la solución gráfica de los problemas de destilación. Se puede tambien emplear metodo analítico: pA=PA . x pB=PB . (1-x) P= pA + pB= PA . x + PB . (1-x) y= pA/P=PA/P . x Des esta manera puede elegirse una serie de temperaturas comprendida entre las temperaturas de ebullición de los compuestos puros (a la presión P) obteniendose de las tablas las tensiones de vapores correspondientes a esas temperaturas (PA y PB) y hallar para cada temperatura los valores de x e ycon ayudas de las formulas. 2

Ejemplo: tomamos la mezcla Benceno-Tolueno (ideal) y hallamos f(x) para una presion de ebullición de 780 mmHg. De tablas sacamos:

TEMP

PA (mmHg) PB (mmHg)

80 85 100 110 110.7

780 875 1335 1739 1770

300 348 555 747 780

=PA/PB 2.53 2.52 2.41 2.34 2.33

X (calculado) y(calculado) 1 0.7817 0.2628 0.0131 0

1 0.9001 0.4617 0.0300 0

a 100*C x=P-PB/(PA-PB)= (780-555 )/ (1335-555)=0.2628 y =PA/P . x=1335/780. 0.2628=0.4617 Con la tabla anterior se construye la siguiente curva y=f(x)

5) Determinación de las rectas de operación: Superior: Y = L/(L + D) * X + D/(L + D) * Xd Inferior: Y = L´/(L´- W) * X - W/(L´- W) * Xw Curva q: Y = q/(q-1) * X - Xf/(q-1) 6)BALANCE CALÓRICO: Tomamos un plato n y como temperatura de referencia la temperatura tn de dicho plato. Q1+Q2+Q6=Q3+Q4+Q5 Q1=Ln-1. Cn-1. (tn-tn-1) Q2=Vn+1. n+1- Vn+1. cn+1 (tn+1-tn) Q3=0 Q4=Vn . n Q5=pérdidas de calor

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Q6=calor de disolución c: calor específico molar λ:calorlatentemolar

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Memoria de Cálculo Se desea dimensionar una columna de rectificación para destilar 7395 Kg/hr de una mezcla binaria de 60% de benceno y 40% de Tolueno La composición del destilado debe ser del 98% del benceno, y la del producto residual del 4% del benceno. La temperatura de alimentación es de 27ºC y la presión de trabajo de 760 mmHg. Datos a buscar en tablas: Cbe Cto Kbe Kto Clbe Clto Pbe Pto δbe δτο PMbe PMto

Calor especifico del benceno Calor especifico del tolueno Constante de Trouton del benceno Constante de Trouton para el tolueno Calor latente molar del benceno Calor latente molar del tolueno Presión de vapor del benceno (a tf º) Presión de vapor del tolueno solo( Densidad del benceno ) Densidad del tolueno Peso molecular del benceno Peso molecular del tolueno

0.46 0.58 20.89 20.40 7381 7831 1010 404 879 866 78 92

Kcal/KgºC Kcal/KgºC Kcal/KmolºK Kcal/KmolºK Kcal/Kmol Kcal/Kmol mmHg mmHg Kg/m3 Kg/m3 Kg/Kmol Kg/Kmol

Fracciones molares: Se calculan las fracciones molares para los tres flujos principales: 1. Alimentación F = 7395 Kg/hr = 82.96 Kmol/hr Xf 0.636 2. Destilado D=? Xd = 0.983 3. Residuo W=? Xw = 0.047 Para averiguar los flujos del destilado y del residuo se efectúa un balance de masas total: F=D+W F * Xf = D * Xd + W * Xw D = F * (Xf - Xw) / (Xd - Xw) = 52.47 Kmol/h W = 30,49 Kmol/h

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Destilado Constantes calóricas: 1 . Calor latente de alimentación: Se procede a calcular la constante de Trouton en la alimentación: Km = Σ Ki * Xi Km = 20.49 Kcal/Kmol Cº λm = Teb * Km Para calcular la temperatura de ebullición de la mezcla se utilizo el diagrama de puntos de ebullición ingresando con Xf. λm = 7488 Kcal/Kmol 2. Calor sensible de alimentación: Cm = Σ Ci * Xi Cm = 35.9 Kcal/KmolºC Determinación de la recta q: Q (cantidad de calor necesaria para evaporar un Kmol de F) = Cm * (Te-Teb) + λm Q = 9982.44 Kcal/Kmol q = Q/λ = 1.333 q/(q-1) = 4 Y = q/(q-1) * X - Xf/(q-1) Y=5*X-2 Reflujo mínimo y óptimo: Rm = 1/(α−1) ∗ (Xd/Xf - α (1−Xd)/(1-Xf)) α = Pbe/Paa = 2.5 Rm = 0.94 R = 3 * Rm = 2.84 Calculo de flujos secundarios: L = R * D = 149.01Kmol/hr V = L+ D = 201.48 Kmol/hr L´= L + q * F = 259.59 Kmol/hr V´= L´- W = 229.1 Kmol/hr Balances térmicos: Desarrollando el balance térmico obtenemos: Q + Qf = Qc + Qd + Qw + Qp 6

Q - Qp = 0.9 Q = Qc + Qd + Qw - Qf Q = calor consumido por la instalación Qp = pérdidas de calor Qf = calor de la alimentación Qc = calor de vaporización Qd = calor del destilado Qw = calor del residuo Cálculo de calores de fluidos: Calor sensible molar Csmf Csmd Camw

Cálculo Calculado previamente 0.983 * 35.9 + 0.017*48.8 0.047* 35.9 + 0.953* 48.8

Valor (Kcal/KmolºC) 40.56 36.12 48.20

Calor latente molar Clmf Clmv Clmw

Cálculo Calculado previamente 0.983 * 7381 + 0.017 * 7831 0.047 * 7381 + 0.953 * 7831

Valor (Kcal/Kmol) 7488 7388 7810

Q - Qp = 0.9 Q = Qc + Qd + Qw - Qf Qf = F * Csmf * Te = 90.851 Kcal/hr Qc = V * Clmv = 1488534.2Kcal/hr Qd = D * Csmd * Td = 156355.35 Kcal/Kmol Qw = W * Csmw * Tw = 159453.5 Kcal/Kmol Q = 1903880.05 Kcal/hr Cantidad de vapor: El calor consumido por la instalación es aportado por vapor a 7 atm de presión, el cual libera un calor de 165.6 Kcal/Kg vapor (λv). Gv = masa de vapor utilizada Q = Gv * λv Despejando Gv Gv = 11496.86 Kg/hr Curvas operativas: Superior: Y = L/(L + D) * X + D/(L + D) * Xd Y = 0.73 * X + 0.26 Inferior: Y = L´/(L´- W) * X - W/(L´- W) * Xw Y = 1.13 * X - 0.13 7

Número de platos reales: A partir del gráfico de operaciones se calcula el número de platos ideales. Modificando el valor obtenido por el rendimiento de la instalación, obtenemos el número de platos reales. La cantidad de platos ideales es igual a la cantidad de "escalones". En el gráfico se observan 10. El número de platos reales es 10/0.60= 17. La instalación deberá contar con 17 platos. Diámetro de la columna: 1. Consideramos las condiciones de la base: Temperatura = 103 ºC (20ºC de Te) Presión = 760 mmHg + 114 mmHG (por pérdidas de carga) = 874 mmHg 2. Cálculo de la densidad del líquido en la base: Vbe = volúmen del benceno Vto= volúmen del tolueno Vbe = Wbe/δbe = 0.12 m3/hr Vto = Wto/δτο =3.08 m3/hr % Vbe = 0.04 % Vto = 0.959 δl = densidad del líquido δl = Σ %Vi * δi δl = 865.5Kg/m3 3. Cálculo de la densidad del vapor: PMv = peso molecular del vapor PMv = Pmbe * Yw + Pmto * (1 - Yw) PMv = 90.5 Kg/Kmol Utilizando la ecuación de estado de los gases ideales, el volúmen molar del gas en la base es 27.24 m3/Kmol (Vm). δv = densidad del vapor δv = PMv/27.24 m3/Kmol δv = 3.25Kg/m3 Velocidad del vapor: U = K ((δ1 - δ2)/δ2)1/2

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Adoptando K = 0.12 (de tabla) U = 1.95 ft/s = 0.60 m/s Sección de la columna: V´ = 229.1 Kmol/hr = 0.0636 Kmol/s Qg = caudal de gas Qg = Vm * V´ = 2.28 m3/s S = sección de la columna S = Qg/U = 3.8m2 Diámetro de la columna: S = π * d2 /4 d =2.2 m Altura de la columna: Suponemos una distancia entre platos de 18 pulgadas. Como son 17 platos, la altura será 9.27 m más 1.5 m correspondientes a la caldera. La altura total será: 10.77 m. Bibliografía consultada: • •

Manual del ingeniero químico - Perry Elementos de ingeniería química - Vian - Ocon

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