Introducción a las operaciones de separación

DESTILACIÓN – MÉT. DE McCABE-THIELE
Destilación
Problemas
PROBLEMA 1*. Determine en cada uno de los siguientes casos la pendiente de la línea de
alimentación de una columna de destilación.
(a) La alimentación es una mezcla de etanol y agua, 40 % molar de etanol. La corriente está a
200 ºC y a una presión suficientemente alta como para que sea líquida. Ingresa a la columna pasando
por una válvula, evaporándose instantáneamente. La presión en la columna es de 0,968 atm.
(b) La columna de destilación trabaja a la presión de 1 kgf/cm2. La alimentación contiene 50 %
de etanol en peso y su flujo es de 1 kg/h. esta alimentación inicialmente es líquida a 250 ºC y se
evapora instantáneamente cuando la presión baja al entrar en la columna.
(c) La alimentación a la columna es vapor sobrecalentado tal que se evapora 1 mol de líquido
en el plato de alimentación para enfriar 5 moles de alimentación hasta la temperatura de vapor
saturado.
PROBLEMA 2. Una columna de destilación con condensador total y vaporizador parcial separa
acetona de etanol. Se desea que la concentración de acetona en el destilado sea xD = 0,90 y que en las
colas sea xB = 0,13, fracción molar. Suponga que L/V = 0,8 es constante y que la relación de vapor al
fondo V’/B = 1,0 es también constante. Si la composición de la alimentación es 0,3 (todas las
composiciones están en fracciones molares del componente más volátil), calcule:
(a) la ubicación óptima del plato de alimentación;
(b) ¿cuántas etapas se requieren con reflujo total?;
(c) ¿cuánto vale L/V)mín y cuánto vale L/D)mín?.
(d) Si el rendimiento de Murphree en la fase vapor es 0,75, ¿cuántas etapas se requieren para
L/V = 0,8?
Fracción molar
Fracción molar
en la fase líquida, xA en la fase vapor, yA
0,10
0,262
0,15
0,348
0,20
0,417
0,25
0,478
0,30
0,524
0,35
0,566
0,40
0,605
0,50
0,674
0,60
0,739
0,70
0,802
0,80
0.865
0,90
0,929
Problemas de Operaciones Unitarias II – 2012 - Ingeniería Química
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DESTILACIÓN – MÉT. DE McCABE-THIELE
PROBLEMA 3*. Una columna de destilación separa fenol de p-cresol a 1 atm de presión. Se desea
que la composición del destilado tenga una fracción molar de 0,963 en fenol. Se usa una relación de
reflujo de L/D = 4. Los datos de equilibrio se pueden representar con una volatilidad relativa constante
αAB = 1,76.
(a) ¿Cuál es la composición de líquido que sale de la sexta etapa de equilibrio abajo del
condensador total?
(b) Trace el perfil de composición del líquido que sale de cada plato, para ambos
componentes, en función del nº de platos de la columna.
PROBLEMA 4. Calcular las composiciones de las fases en equilibrio que abandonan cada etapa, en
una columna de rectificación provista de caldera parcial, condensador total y 3 platos, a la que se
alimentan 100 kg/h de una mezcla líquida de agua y ácido butírico, calentada hasta su temperatura de
burbuja, al 10% en peso de agua, que se introduce en el plato óptimo. Las composiciones (% en peso)
del destilado y del residuo son, respectivamente, 79,5% y 1,1%.
(a) ¿Qué razón de reflujo se necesita?
(b) Trace el perfil de composición del líquido que sale de cada plato, para ambos
componentes, en función del nº de platos de la columna.
Datos: λA = 2257 kJ/kg y λB = 388 kJ/kg.
PROBLEMA 5*. Una columna de destilación con condensador total y hervidor parcial separa etanol
y agua a 1 kgf/cm2 de presión. La alimentación tiene una composición de etanol de 0,32 y está a 30 ºC.
El flujo de alimentación es de 100 kmol/h. El producto destilado es un líquido saturado que contiene
80 % de etanol. El condensador elimina 2 065 113 kcal/h. Las colas contienen una fracción de 0,04 de
etanol.
(a) Calcule la cantidad de etapas de equilibrio de la columna y la ubicación óptima del plato de
alimentación.
(b) Manteniendo el número de etapas fijo y alimentando un plato por debajo de óptimo, ¿es
posible llevar a cabo la separación deseada?
(c) Manteniendo la relación de reflujo fija y rediseñando la columna, ¿cuántas etapas se
necesita para poder alimentar la columna un plato por debajo del óptimo?
Datos: CpLA = 103,04 kJ/(mol K) a 0 ºC. Todas las composiciones son fracciones molares.
PROBLEMA 6. Una mezcla benceno (A)/tolueno de composición 36,11% (peso) se trata en una
columna de destilación con condensador total y hervidor parcial para obtener un destilado y un
producto de cola de composición 0,907 y 0,060 fracción másica, respectivamente.
(a) Si la mezcla de alimentación es líquido-vapor (título del 50 %) y la relación de reflujo es
un 56 % superior a la mínima, trace la línea de operación y determine el número de etapas teóricas.
(b) Si la mezcla es vapor saturado y se mantiene la relación de reflujo, trace la línea de
operación y determine el número de etapas teóricas.
(c) Igual que en el punto (a), suponga que la alimentación ingresa un plato por debajo del plato
óptimo, ¿qué cambia en la columna?
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Fracción molar
Fracción molar
en la fase líquida, x en la fase vapor, y
0,0
0,000
0,1
0,205
0,2
0,365
0,3
0,503
0,4
0,615
0,5
0,710
0,6
0,790
0,7
0,855
0,8
0,910
0,9
0,956
1,0
1,000
λvA = 390 kJ/kg
λvB = 351 kJ/kg
PROBLEMA 7*. Se desea separar etanol de agua en una columna de destilación con un condensador
total y un hervidor parcial. La alimentación es de 200 kmol/h de una corriente F1 que es vapor
saturado de 30 % de etanol. Además se alimentan 300 kmol/h de una corriente F2, líquido subenfriado,
de 40 % molar de etanol. Un mol de vapor debe condensarse dentro de la columna para calentar 4
moles de la alimentación F2 hasta su punto de burbuja. Se desea que el producto de fondo tenga 2 %
de etanol y el destilado 72 % de etanol. La relación de reflujo externa es L/D = 1 y el reflujo vuelve
como líquido saturado. La operación se realiza a 101,3 kPa y la columna es adiabática. Todas las
composiciones son porcentajes molares.
Determine los lugares óptimos de alimentación y la cantidad de etapas teóricas necesarias en la
columna.
PROBLEMA 8. Una columna de destilación separa metanol y agua a 1 atm de presión. La columna
tiene un condensador total y un hervidor parcial. Además entra una corriente de vapor de agua puro y
saturado en la segunda etapa arriba del vaporizador parcial.
La alimentación es de 2 000 kmol/día y contiene 48 % de metanol y 52 % de agua, ingresando como
líquido subenfriado. Por cada 4 moles de alimentación se debe condensar 1 mol de vapor dentro de la
columna. La composición del destilado es de 92 % de metanol. La relación de reflujo superior es L/D
= 1,0. La composición de las colas es de 8 % de metanol. La relación de vapor en el fondo es V’/B =
0,5. Todas las composiciones son porcentajes molares.
Calcule el lugar óptimo de la alimentación y la cantidad total de etapas de equilibrio necesarias.
xA
1
0,95
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,05
0
yA
1
0,979859
0,959642
0,91893
0,877565
0,834803
0,789119
0,737483
0,673604
0,582753
0,422079
0,273584
0
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Diagrama de Merkel etanol / agua @ 1 kgf/cm
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agua (A) / ác. butírico @ 101,3 kPa
Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán:
- Llevarse resueltos a la clase de problemas.
- Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prácticos de cada
alumno, al finalizar la asignatura.
Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3
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