Destilación binaria para columna de platos

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
OPERACIONES UNITARIAS
DESTILACION BINARIA PARA UNA COLUMNA DE PLATOS
SISTEMA: ACETONA-AGUA
Acuña Montero Santiago Alejandro
QUITO – ECUADOR
INTRODUCCION
En la industria, la separación de componentes volátiles se realiza por
medio de destilación, ya sea en columna de platos o en columna
empacada, se lleva a cabo para la recuperación de subproductos de
reacciones o purificación. Así como para obtener productos de gran
importancia como los combustibles a partir del petróleo crudo. Es por esta
razón que el conocimiento del dimensionamiento de Torres de destilación
de platos es fundamental para entender el funcionamiento y principios
básicos de estas columnas, como también comprender la teoría y
aplicarla.
TRABAJO AUTONOMO DE DESTILACION
1.- OBJETIVO
1.1 Dimensionar una columna de destilación de platos para el sistema Acetona-Agua.
1.2 Determinar el número de platos reales que necesita la columna, para las condiciones del problema.
1.3 Obtener la eficiencia global de la columna.
2. PROBLEMA
CALCULO DE LA COLUMNA DE DESTILACION DE PLATOS
Dimensionar una columna de platos para el sistema ACETONA-AGUA a una atmosfera de presión, cuya
alimentación es de 6500 (Kg/h) y a una temperatura 20 ºC. Con una composición de alimentación “XF“de
0.24; su composición de destilado “XD“de 0.96 y la composición de cola “XW“de 0.03.
1. Datos
F, [Kg/h]
6500
Tabla 1-1
Datos del Problema
SISTEMA ACETONA-AGUA
P= 1atm
XF
XD
XW
0.24
0,96
0,03
TF, [°C]
20
1.1. Datos de Equilibrio del sistema ACETONA-AGUA
Tabla1.1-1
Datos de Equilibrio para el sistema Acetona-agua
Fuente: KIRSCHBAUM Emil, “Destilación y Rectificación”, Traducción del Alemán, Editorial
Aguilar S.A., Madrid 1989, Pág. 387.
1.2. Calculo del peso molecular medio de alimentación
Tabla 2-1
Peso molecular de los componentes del sistema.
Componente
Acetona
Agua
Formula Mi [kg/kg-mol]
C3H6O
58
H2O
18
𝑴𝑭 = 𝑋𝐹 𝑀𝐴𝐶𝐸𝑇𝑂𝑁𝐴 + 1 − 𝑋𝐹 𝑀𝐴𝐺𝑈𝐴
Ec. 2-1
𝑴𝑭 = 0,24 58 + 1 − 0,24 18
𝐾𝑔
𝑴𝑭 = 27.6
𝐾𝑔 − 𝑚𝑜𝑙
2. Calculo de la Alimentación Molar
𝑭
𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
=
𝐹
𝑀𝐹
=
𝐾𝑔 𝑕 −1
(𝐾𝑔−𝑚𝑜𝑙 )−1
𝐾𝑔
𝑭 = 6500
=
𝐾𝑔−𝑚𝑜 𝑙
𝑕
Ec.3-1
𝑘𝑔 𝑘𝑔 − 𝑚𝑜𝑙
∗
𝑕
27.6 𝑘𝑔
𝑭 = 235.507
𝑘𝑔 −𝑚𝑜𝑙
𝑕
3. Balance General de masa
𝑭 = 𝐷+𝑊
Ec. 4-1
𝐹 𝑋𝐹 = 𝐷 𝑋𝐷 + 𝑊 𝑋𝑊
Ec.4-2
235.507 = 𝐷 + 𝑊 1
235.507 (0.24) = 𝐷 0.96 + 𝑊 0.03
𝑫
𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
= 53.17
𝑾
𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
= 182.33
2
𝐾𝑔−𝑚𝑜𝑙
𝑕
𝐾𝑔−𝑚𝑜𝑙
𝑕
4. Calculo del parámetro “f”
4.1 Datos adicionales para el cálculo del parámetro “f”
Tabla 4.1-1
Datos adicionales para el cálculo del parámetro “f” a T=20 ºC
Componente
Cp. , kJ/kg-mol ºC
, k J/kg-mol
Acetona
128.34
32558
Agua
75,4
44057.7
Fuente: R. E. Treybal. “Maas Transfer Operations,” 2 ed., p. 401, McGraw-Hill Book Company,
New York, 1968
4.1.1 Calculo del cp. medio.
𝑪𝒑𝑳 =
𝑪𝒑𝑳 =
𝑋𝑖 𝐶𝑝𝑖
Ec. 4.1.1-1
0,24 128.34 + 1 − 0,24 75.4
𝑪𝒑𝑳 = 88.10 𝐾𝐽 𝐾𝑔 − 𝑚𝑜𝑙 °𝐶
4.1.2 Cálculo de λ medio.
𝝀𝑭 =
𝝀𝑭 =
𝑋𝑖 𝜆𝑖
Ec. 4.1.2-1
0,24 32558 + 1 − 0,24 44058
𝝀𝑭 = 41298
𝐾𝐽
𝐾𝑔 − 𝑚𝑜𝑙 °𝐶
4.1.2 Calculo del factor “f”
𝑇𝑏 −𝑇𝐹
𝜆𝐹
𝒇 = −𝐶𝑝𝐿
Ec. 4.1.3-1
𝑻𝒃 = 68.25 ℃
𝐾𝐽
𝒇 = −88.10 𝐾𝑔−𝑚𝑜𝑙
68.25−20 ℃
°𝐶
41298
𝐾𝐽
𝐾𝑔 −𝑚𝑜𝑙
𝒇 = −0,10293
4.1.3 Calculo de la pendiente m
𝒎=−
𝒎=−
1−𝑓
𝑓
Ec. 4.1.4-1
1 − −0,10293
−0,10293
𝒎 = 10.71
tan 𝜃 = 𝑚
Ec. 5.1.5 -1
𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 10.71
𝜃 = 85.00°
Localización de la pendiente ver en los anexos las gráficas de equilibrio.
5. Localización de las rectas de Alimentación
Ver en el gráfico del equilibrio del sistema
6. Cálculo del Reflujo Mínimo
6.1. Método de Mc Cabe – Thiele
𝒂=
𝑋𝐷
𝑅𝑚𝑖𝑛 +1
Ec. 6.1-1
𝒂 = 0.56

a: es un dato tomado del grafico de equilibrio
𝑅𝑚𝑖𝑛 =
𝑋𝐷
𝑎
−1
Ec. 6.1-2
𝑹𝒎𝒊𝒏 =
0,96
−1
0,56
𝑹𝒎𝒊𝒏 = 0.7142
7. Calculo del Reflujo de Trabajo
𝑅𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 = 𝑘(𝑅𝑚𝑖𝑛 )
𝑅𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 = 1.8(0.7142)
𝑅𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 = 1.2857
Ec.7-1
7.1 Calculo de la nueva ordenada al origen
𝑥𝐷
𝑌𝐷 = 𝑅
𝑌𝐷 =
Ec. 7.1-1
𝑇+1
0,96
1.2857 + 1
𝑌𝐷 = 0.4200
8 .Construcción de la recta de Agotamiento
Ver graficas de equilibrio
9.
Determinación de los paltos teóricos (remitirse a los diagramas de Equilibrio)
NT=13
10. CALCULO DE LA EFICIENCIA
10.1 Determinación de la temperatura media de la columna
Tabla 10.1-1
Temperaturas de cabeza y cola
Composición
T,ºC
xD
57.48
xW
92.90
𝑻𝒎 =
𝑻𝒎 =
𝑇𝑊 +𝑇𝐷
2
92.90 + 57.48
2
Ec.10.1-1
𝑻𝒎 = 75.2℃
Con la temperatura media se evalúa las viscosidades de la Acetona y agua.
10.2 Cálculo de la volatilidad relativa a la temperatura media de la columna
Tabla 11.2-1
Composición del líquido y vapor a la temperatura media de la Torre
T,ºC
X
y
75.2
0,1492
0,7933
𝒚(𝟏−𝒙)
𝜶 = 𝒙(𝟏−𝒚)
𝜶=
Ec.10.2.-1
0,7933(1 − 0,1492)
0,1492(1 − 0,7933)
𝜶 =21.88
10.3 Calculo de la viscosidad a la temperatura media de la columna
Tabla: 10.3-1
Datos de viscosidad
Compuesto
, cp
Acetona
0,21
Agua
0,3799
Fuente: Ocon Joaquin y Tojo Gabriel, “Problemas de la Ingeniería Química”, Primera
edición, Tomo 2, Graficas Halar, España, 1980, Pág. 400
𝝁𝑻𝒎 =
𝝁𝑻𝒎 =
1
𝑛
3
𝑖=1(𝑥𝑖 𝜇𝑖 )
3
Ec. 10.3-1
0.24 (0,20cp)1/3 + 1 − 0,24 (0,3799cp)1/3
𝝁𝑻𝒎 = 0,3399 𝑐𝑝
10.4 Calculo del producto volatilidad relativa por la viscosidad de alimentación
𝜶𝝁𝑻𝒎 = 0,3399 21.88
𝜶𝝁𝑻𝒎 = 7.42
3
10.5 Obtención de la eficiencia de la carta de O’ Connel
Figura 10.5 Eficiencia a partir de la carta de O’ Connell
𝜺 = 30 %
11. NÚMERO DE PLATOS REALES
𝑵𝑹 =
𝑵𝑻
𝜺
𝑁𝑅 =
12
0,3
Ec.11-1
𝑁𝑅 = 40 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
12.
CÁLULO DEL DÍAMETRO DE LA COLUMNA
12. Diámetro de la cabeza
12.1.1 Densidad del vapor
𝜌𝑣 =
𝑃𝑀
𝑅𝑇
Ec.12.1.1-1
Cálculo del peso molecular medio de la mezcla
𝑴 = 𝑦𝐷 𝑀𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 + (1 − 𝑦𝐷 )𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑴 = 0,96 (58 kg/kgmol) + (1 − 0.96)(18kg/kgmol)
𝑴 = 56.4 kg/kgmol
Ec. 12.1.1-2
𝜌𝑣 =
1 𝑎𝑡𝑚 (56.4 𝑘𝑔/𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙)
𝑎𝑡𝑚 × 𝑚3
(0,082
)(273.15 + 57.48)𝐾
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 × 𝐾
𝜌𝑣 = 2,07902 𝑘𝑔/𝑚3
12.1.2 Densidad del líquido
Tabla 12.1.2-1
Densidades de los componentes a la Tcabeza= 57.48ºC
Componente
 , kg/m3
Acetona
748.625
Agua
984,49
Fuente: KIRSHBAUM Emil, “Destilación y Rectificación”, Pág. 443
𝜌𝐿 =
𝑥𝑖 𝜌𝑖
Ec.12.1.2-1
𝜌𝐿 = 0,96 (748.625 kg/m3 ) + 1 − 0,96 (984.49 kg/m3 )
𝜌𝐿 = 758.06kg/m3
12.1.3 Cálculo de G
Cálculo modelo para cuando la distancia entre platos es de 40 cm.Donde c = 141,
obtenida de la carta de Brown – Souders
Fig. 12.1.3-1 Factor de Brown-Sounlers para el espacio de platos
12.1.4. Diámetro de la Torre
𝑮=𝐶
𝜌𝑣 𝜌𝐿 − 𝜌𝑉
𝑮 = 141
Ec.12.1.4
2.07902 758.06 − 2.07902
𝑮 = 5589.89
𝐾𝑔
𝑕𝑚2
12.1.5 Cálculo de 𝛎
𝝂 = 𝐷 1 + 𝑅𝐷𝑚𝑖𝑛
Ec.12.1.5-1
𝝂 = (53,17 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙/𝑕)(0,7142 + 1)
𝝂 = 91,144
𝑘𝑔 −𝑚𝑜𝑙
𝑕
kg
× 56,4 𝑘𝑔 −𝑚𝑜𝑙
𝝂 = 5140.5 𝑘𝑔/𝑕
12.1.6 Cálculo del área de la cabeza
𝜈
𝑨=𝐺
Ec.12.1.6-1
5140 .5 𝑘𝑔/𝑕
𝑨 = 5589.89 𝑘𝑔 /𝑕𝑚 2
𝑨 = 0.91𝑚2
12.1.7. Diámetro de la columna en la cabeza
𝑫=
4𝐴
𝜋
𝑫=
4(1,08𝑚 2 )
𝜋
Ec.12.1.7-
𝑫 = 1,08𝑚
C
141
159
172
182
DEP, m
0.40
0.45
0.50
0.55
Tabla 12.1.7-1
Diámetros a diferentes C, Cabeza
G(Kg/hm2)
V, (Kg/h)
A, (m2)
5589.89
0.91
5140.5
6303.5
0.81
6818.94
0.75
7215.39
0.71
D,m
1.08
1.01
0.97
0.95
12.2 Diámetro de la cola
12.2.1 Densidad del vapor
𝜌𝑣 =
𝑃𝑀
𝑅𝑇
Ec.12.2.1-1
De la curva de equilibrio:
xW= 0,03
yW= 0,279
12.2.2 Cálculo del peso molecular medio de la mezcla
𝑴 = 𝑦𝑊 𝑀𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 + (1 − 𝑦𝑊 )𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎
Ec.12.2.2-1
𝑴 = 0,297 (58 kg/kgmol) + (1 − 0,297)(18 kg/kgmol)
𝑴 = 29.88 kg/kgmol
𝝆𝒗 =
1 𝑎𝑡𝑚 (29.88 𝑘𝑔/𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙)
𝑎𝑡𝑚 × 𝑚3
(0,082
(273.15 + 97.01)𝐾
𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙 × 𝐾
𝝆𝒗 = 0.9838 𝑘𝑔/𝑚3
12.2.3 Densidad del líquido
Tabla 12.2.3-1
Densidades de los componentes a la Tcola= 92.9 ºC
 , kg/m3
Componente
Acetona
708.56
Agua
963.35
Fuente: PerrY J. “Manual del Ingeniero Químico”, Volumen 1, Editorial McGraw-Hill, Pag.3-125
𝝆𝑳 =
𝑥𝑖 𝜌𝑖
Ec.12.2.3-1
𝝆𝑳 = 0,03 (708.56 kg/m3 ) + 1 − 0,03 (963.35 kg/m3 )
𝝆𝑳 = 955.70 kg/m3
12.2.4 Cálculo de 𝐆
Cálculo modelo para cuando la distancia entre platos es de 40 cm.
Donde C = 141
𝑮 = 𝐶[𝜌𝑣 𝜌𝐿 − 𝜌𝑣 ]1/2
𝑮 = 141[0.9838 955.70 − 0.9838 ]1/2
Ec.12.2.4-1
𝑮 = 4321,25 𝑘𝑔/𝑕𝑚2
12.2.5 Cálculo de 𝛎
𝝂 = 𝜈 − 𝑓𝐹
Ec.12.2.5-1
𝝂 = 5140.5
𝑘𝑔
𝑘𝑔
− (−0,10293 × 6500
)
𝑕
𝑕
𝝂 = 5809.5
𝑘𝑔
𝑕
12.2.6 Cálculo del área de la cabeza
𝜈
𝑨=𝐺
𝑨=
Ec.12.2.6-1
5809.5𝑘𝑔/𝑕
4321.25 𝑘𝑔/𝑕𝑚2
𝑨 = 1,34 𝑚2
12.2.7 Diámetro de la columna en la cabeza
𝑫=
4𝐴
𝜋
𝑫=
4(1,34𝑚2 )
𝜋
Ec.12.1.7-1
𝑫 = 1,30 𝑚
C
141
159
172
182
DEP, m
0.40
0.45
0.50
0.55
Tabla 12.2.7-1
Diámetros a diferentes C
G(Kg/hm2)
V, (Kg/h)
4321.25
5809.5
4872.9
5271.32
5577.79
A, (m2)
1.344
1.192
1.102
1.041
D,m
1.90
1.23
1.18
1.15
13. CÁLCULO DEL DIÁMETRO MEDIO DE LA COLUMNA
Cálculo modelo para cuando la distancia entre platos es de 50 cm.
𝑫𝒎 =
𝐷+𝑑
2
1,08 + 1,90
2
𝑫𝒎 = 1,49 𝑚
𝑫𝒎 =
Ec. 13-1
Tabla 13 – 1
Diámetro de la columna
DEP,(m)
0.40
0.45
0.50
0.55
Dm, (m)
1.49
1.12
1.07
1.05
14. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA COLUMNA
𝑳 = 𝐷𝐸𝑃 𝑁𝑅 − 1 + 𝐿𝑊 + 𝐿𝐷
Ec.14-1
𝑳 = 0,50 40 − 1 + 1,5 0,50 + 1.8(0,50)
𝑳 = 21.15 𝑚
Tabla 14 – 1
Longitud de la columna
DEP, (m)
0,40
0,45
0,50
0,55
L, (m)
16.92
19.03
21.15
23.26
3. RESULTADOS
Tabla 3 – 1
Resultados de la Columna
DEP, (m)
0.40
L, (m)
16.92
Dm, (m)
1.49
0.45
19.03
1.12
0.50
0.55
21.15
23.26
1.07
1.05
4. DISCUSION
En el dimensionamiento de la columna de destilación para el sistema Acetona-Agua se puede observar
en las tabla de resultados para la columna que dependiendo la distancia entre platos se obtendrá un
diámetro medio de la columna, como por ejemplo al tomar un valor de distancia entre platos (DEP) de
0.40 m el diámetro es 1.49 m (149cm), que según la tabla de la página 36 del documento del Ing. Jorge
Medina este diámetro no es el corresponde a la distancia entre platos elegida y por lo tanto hay que
aumentar esta para obtener los valores que se encuentren en este rango, como el DEP 0.50m. Otro
inconveniente fue el número de platos reales ya que se obtuvo 40 esto puede deberse a que el XD tiene
un valor de 0.96 y el XW tiene un valor de 0.03, lo que quiere decir que la pureza del destilado es alta, y el
residuo es pobre en componentes volátiles. La longitud de la columna en este sistema es considerable
debido a que se obtuvo una baja eficiencia y un gran número de platos reales, además que el destilado
que se obtenga deberá tener una concentración alta.
5. CONCLUSIONES
5.1 Se puede apreciar por el diagrama de equilibrio de la Acetona-Agua que el sistema es de fácil
separación por destilación, por lo que debería tener muy pocos platos en la columna de destilación, pero
las condiciones del problema referida a las fracciones XD, XW y a la eficiencia, indican el valor real de
platos que en este caso es considerable.
5.2 Se concluye que al imponerse una distancia entre platos, se puede calcular el diámetro de la columna
y que este valor tendrá que estar en un intervalo estandarizado de diámetros, y si no lo está hay que
volver a imponerse una nueva distancia.
5.3 Los diámetros de cabeza y cola de una columna de destilación, no son los mismos para este sistema,
ya que lo que se obtiene es una columna de forma cónica lo que indica que los diámetros son propios y
característicos de cada sistema (Diagrama de equilibrio)
5.4 La longitud de la columna calculada para este sistema y las condiciones es demasiado grande por lo
que presenta poca eficiencia requiriendo grandes longitudes para obtener el destilado con composiciones
del 0.96.
6. BIBLIOGRAFÍA
6.1. KIRSCHBAUM EMIL, “Destilación y Rectificación”, Traducción del Alemán, Editorial Aguilar S.A.,
Madrid 1989, Pág.: 411.
6.2. PERRY R., “Manual del Ingeniero Químico”, Séptima Edición, Editorial Mc Graw Hill, España 2001,
Vol. I.
6.3. MEDINA JORGE, “Destilación: Notas de clase del Curso de Operaciones Unitarias I”, Ecuador, año
lectivo 2008 – 2009.
6.4. OCON – TOJO, “Problemas de Ingeniería Química”, Primera Edición, Editorial Aguilar S.A., Tomo I,
Madrid, 1972.
7. ANEXOS
7.1. Carta de O’Connell (ver anexo 7.1)
7.2. Carta de Brown-Souders (ver anexo 7.2)
ANEXO 7.1 Carta de O’Connell
Fig. 7.1-1 Carta de O’Connell parta la determinación de la eficiencia global
DIB
REVISA
DIBUJO
ESC: 1:1
ESCALA
1:10
NOMBRE
FECHA
S. A¡cuña
NOMBRE
J. Pulig
2012-06-06
FECHA
2012-06-06
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL
ECUADOR
Facultad De Ingeniería Química
COLUMNA DE DESTILACION DE
PLATOS
LÁMINA N°1
ANEXO 7.2 Carta de Brown-Souders
Fig.7.2-1 Carta de Brown-Souders
Dib
REVISA
DIBUJO
ESC : 1:1
ESCALA
1:10
Nombre
Fecha
S. Acuña
NOM
J. NOMBRE
Pulig
BRE
2012-06-06
FECHA
2012-06-06
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL
ECUADOR
Facultad De Ingeniería Química
COLUMNA DE DESTILACION DE
PLATOS
LÁMINA N°2