Introducción a las operaciones de separación

DESTILACIÓN/EXTRACCIÓN - MÉTODO DEL POLO DE OPERACIÓN
Destilación - Método del polo de operación II
Problemas
PROBLEMA 1*. Una mezcla etanol/agua de composición 48 % en peso de
etanol, líquido saturado, se alimenta a una columna de destilación como la que
muestra el esquema, la cual trabaja a presión atmosférica.
La columna consta de 10 platos reales, con una eficiencia global del 70 %. La
corriente VN-1 es vapor de agua saturado a 1 atm de presión. La composición del
destilado es 0,85 fracción másica y la del residuo no debe ser mayor del 2,5 % en
peso de alcohol.
(a)- Determine la relación de reflujo mínima y de operación.
(b)- Determine el caudal de vapor necesario por kg/h de alimentación.
(c)-Número de etapas mínima.
(d) Número de etapas si la relación de reflujo es de 2,5.
PROBLEMA 2*. Mil kg/h de una mezcla que contiene 42 % de n-heptano y 58 % de etilbenceno se
va a fraccionar hasta un destilado que contenga 95 % n-heptano y un residuo conteniendo 90 % de
etilbenceno, usando un condensador total y un hervidor total y una alimentación en su condición de
líquido saturado. Los datos de entalpía-concentración para n-heptano/etilbenceno a 1 atm son:
hL (kJ/kmol) HV (kJ/kmol)
x 10-3
x 10-3
xheptano
yheptano
0
0
24,3
61,2
0,08
0,28
24,1
59,6
0,18
0,43
23,2
58,5
0,25
0,51
22,8
58,1
0,49
0,73
22,05
56,5
0,65
0,83
21,75
55,2
0,79
0,9
21,7
54,4
0,91
0,96
21,6
53,8
Calcule:
(a) Relación de reflujo mínima.
(b) Número de etapas mínima.
(c) Número de etapas si la relación de reflujo es de 2,5.
(d) Calor a extraer en el condensador y a suministrar en el hervidor.
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2014 - Ingeniería Química
1
DESTILACIÓN/EXTRACCIÓN - MÉTODO DEL POLO DE OPERACIÓN
PROBLEMA 3. Se quiere diseñar una columna de destilación para procesar
una mezcla isopropanol (A) /agua con el objeto de obtener un destilado de
composición 0,64 y un residuo de 0,10 fracción molar del alcohol, a una
presión de 0,5 atm. El caudal de alimentación son 100 kmol/h de una mezcla
de composición 20 % molar de 2-propanol, en su punto de burbuja. Suponga
condensador total y ebullidor parcial. Calcule:
(a) Relación de reflujo mínima.
(b) Número de etapas mínima.
(c) Número de etapas teóricas si se trabaja con una relación de
reflujo de 4/3 de la mínima.
(d) Calor a extraer en el condensador y a suministrar en el hervidor.
Los datos para confeccionar el diagrama de Merkel de este sistema se
muestran en la siguiente tabla.
Fracción
molar del
vapor, yA
0,00
0,41
0,50
0,53
0,54
0,55
0,55
0,56
0,57
0,58
0,60
0,61
0,64
0,66
0,68
0,69
0,73
0,77
0,81
0,87
0,93
1,00
Fracción
molar del
líquido, xA
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,68
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
Entalpía del Entalpía del
vapor, HV,
líquido, hL,
en kJ/kmol en kJ/kmol
47790
6162
49348
5590
49562
5637
49629
5836
49659
6085
49678
6351
49695
6621
49717
6889
49748
7155
49790
7418
49845
7681
49916
7945
50005
8212
50114
8484
50185
8639
50246
8764
50404
9054
50591
9357
50813
9677
51076
10015
51388
10377
51759
10768
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2014 - Ingeniería Química
2
DESTILACIÓN/EXTRACCIÓN - MÉTODO DEL POLO DE OPERACIÓN
PROBLEMA 4. Una columna de agotamiento opera
en la forma que indica la figura. El sistema es
benceno (A) / tolueno a 1 atm. El vapor a agotar se
introduce directamente por debajo del plato inferior y
el líquido procedente de este plato es el producto de
colas. Determine:
(a) La relación de reflujo en el condensador y el
calor extraído.
(b) Los flujos de destilado y de colas.
(c) El número total de etapas teóricas que se
requieren.
(d) El plato óptimo para introducir la alimentación y
para hacer la extracción lateral.
Datos adicionales:
Calores específicos medios en kJ/(kmol K)
vapor
líquido
Fracción
molar del
vapor, yA
1,00
0,98
0,96
0,94
0,91
0,88
0,85
0,82
0,79
0,75
0,71
0,66
0,61
0,56
0,50
0,44
0,37
0,29
0,20
0,11
0,00
benceno
80
134
Fracción
molar del
líquido, xA
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
tolueno
104
156
Entalpía del Entalpía del
vapor, HV,
líquido, hL,
en kJ/kmol en kJ/kmol
42108
11239
42333
11466
42572
11702
42827
11948
43099
12204
43391
12471
43703
12748
44037
13038
44397
13340
44783
13654
45200
13983
45651
14326
46138
14684
46666
15059
47241
15450
47866
15860
48549
16290
49296
16740
50115
17212
51017
17707
52010
18228
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2014 - Ingeniería Química
3
DESTILACIÓN/EXTRACCIÓN - MÉTODO DEL POLO DE OPERACIÓN
PROBLEMA 5*. En una columna de destilación se desea procesar dos mezclas
etanol/agua con el objeto de obtener un destilado de composición 0,868 y un
residuo de 0,050 fracción másica de etanol. Las mezclas disponibles como
alimentación son 5 286 kg/h de composición 0,523 fracción másica de etanol,
vapor saturado, y 8 771 kg/h de composición 0,630, fracción másica de etanol,
en su punto de burbuja.
La columna posee un condensador total del cual se extrae el destilado en su
punto de ebullición y el resto vuelve como reflujo a la columna con Rop = 1, y
un hervidor parcial del cual se drena el residuo también en su punto de
ebullición.
Si ambas corrientes se alimentan en su punto óptimo, calcule:
(a)- Los caudales LN+1, VN, L1, V0, D y B.
(b)- Las cargas térmicas del condensador y hervidor.
Trace la línea de operación y muestre cómo se modifica ésta cuando se alimenta
con una corriente igual a la suma de ambas.
Extracción - Método del polo de operación
PROBLEMA 6*.
En un sistema de extracción de múltiples etapas en contracorriente que
trabaja a 25 ºC, entra como alimentación una disolución acuosa de piridina de composición 30
% en masa. Como disolvente se emplea clorobenceno puro. Si la concentración de piridina en
el refinado no ha de ser superior al 2 % en masa de piridina, calcule el número de etapas
necesarias si la cantidad de clorobenceno empleada es el doble de la mínima.
Extracto final
Decantador
1
Decantador
2
Decantador
3
Alimentación
(piridina + agua)
Mezclador
1
Mezclador
2
Refinado
final
Mezclador 3
Solvente
(clorobenceno)
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2014 - Ingeniería Química
4
DESTILACIÓN/EXTRACCIÓN - MÉTODO DEL POLO DE OPERACIÓN
Capa de C6H5Cl
C6H5Cl Piridina Agua
99,95
0
0,05
88,3
11,1
0,6
80,0
19
1
74,4
24,1
1,6
69,3
28,6
2,1
66,8
31,5
2,7
61,2
35,1
3,7
53,1
40,6
6,3
37,8
49
13,2
Capa de H2O
C6H5Cl Piridina
0,08
0
0,1
5
0,2
11
0,5
18,9
1
25,5
2,1
36,1
4,2
45
9,5
53,2
37,8
49
Agua
99,92
94,9
88,8
80,6
73,5
61,8
50,8
37,3
13,2
Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán:
- Llevarse resueltos a la clase de problemas.
- Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2014 - Ingeniería Química
5