BALANCE DE MATERIA-DESTILACION

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN  CARRIÓN ” “ UNIVERSIDAD

DEDICATORIA Con todo el respeto y el agradecimiento al Ing. Ángel Hugo Campos Díaz. Docente del curso por las facilidades prestadas para la realización del presente trabajo.

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INTRODUCCIÓN La destilación es el proceso de separación más difundido y utilizado en la industria y la operación unitaria más estudiada en la ingeniería química. Es un proceso fácil de operar y diseñar, sin embargo, es una operación con grandes consumos energéticos debido a que es necesario condensar y evaporar las corrientes de reflujo. Existen procesos en los que la secuencia de destilación demanda la mayor parte de la energía total. El uso de secuencias de destilación, como proceso de separación, es el más empleado en la industria, además de ser el más estudiado. La utilización de secuencias de columnas simples (directas o indirectas) logra la separación de los componentes de una mezcla con relativa facilidad. Sin embargo, la ineficiencia de las columnas tradicionales y su alto consumo energético, han motivado a la búsqueda de sistemas alternativos de separación. Siguiendo en la línea de destilación, surgen las columnas complejas que prometen un ahorro energético y mejora en la eficiencia de separación. Debido a las nuevas políticas de ahorro energético se han tenido que estudiar otros métodos de separación o secuencias alternativas de destilación para lograr dicho ahorro. Se han propuesto la integración de corrientes frías/calientes del proceso para lograr la condensación/evaporación, ahorros de energía en columnas de destilación convencionales, procesos alternos con ahorro energético y el acoplamiento térmico en secuencias de destilación.

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BALANCE DE MATERIA EN LAS OPERACIONES UNITARIAS –  DESTILACIÓN Un balance de materia de un proceso industrial es una contabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, se acumulan o se agota en el curso de un intervalo de tiempo de operación dado. Un balance de materia es de este modo una expresión de la ley de conservación de la materia teniendo en cuenta aquellos términos. Si se hiciesen medidas directas del peso y composición de cada corriente que entra o sale en un proceso durante un intervalo de tiempo dado y de variación en el inventario de material dentro del sistema durante aquel intervalo de tiempo, no sería necesario ningún cálculo. Pocas veces esto es factible y de ahí que se hace indispensable el cálculo de las incógnitas.

B

A

C

A+B=C

El principio general de los cálculos de balance de materia es establecer un número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas de composición y masa. Por ejemplo, si en un proceso entran dos corrientes y sale otra, sin ningún cambio en el inventario dentro del sistema durante el intervalo de tiempo, la masa y composición de cada corriente establece el balance de materia completo. Para calcular el balance de materia completo el mayor número de incógnitas permitidas es tres, elegidas de entre los seis posibles términos particulares que se desconozcan, sean de composición o masa, bien de corriente que entran o salen. Las siguientes normas sirven para dirigir el transcurso de los cálculos: Si se tiene lugar reacciones químicas, se hace necesario desarrollar balances de materia basados sobre elementos químicos o sobre radicales compuestos o sustancias que se alteran, descomponen o formen en el proceso. Para procesos donde no tengan lugar reacciones químicas, es preferible el empleo de unidades de peso tales como gramos o libras. Para procesos en los que tienen lugar reacciones químicas, es conveniente utilizar el mol-gramo o el mol-libra ó átomogramo o átomo-libra.

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CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS

Los procesos químicos pueden clasificarse en intermitentes (batch), continuos o semi intermitentes y como estacionarios (en régimen permanente) o transitorios.

PROCESO INTERMITENTE: La alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después.

PROCESO CONTINUO: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso.

PROCESO SEMIINTERMITENTE: Cualquier proceso que no es intermitente ni es continuo.

PROCESO EN RÉGIMEN PERMANENTE O ESTACIONARIO: Todas las variables del proceso (Temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio constantes.

PROCESO TRANSITORIO: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo.

LOS PROCESOS INTERMITENTES Y SEMIINTERMITENTES: Son operaciones en régimen no permanente y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios. El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para producciones grandes se usan procesos continuos en régimen permanente. Las condiciones de un régimen transitorio existen durante el arranque de un proceso y en los cambios subsecuentes en las condiciones de operación del proceso.

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FUNDAMENTO TEÓRICO - DESTILACIÓN

La destilación es una operación utilizada con frecuencia para la purificación y aislamiento de líquidos orgánicos. La destilación aprovecha las volatilidades y puntos de ebullición de los componentes líquidos a separar. La destilación depende de parámetros como: El equilibrio liquido vapor, temperatura, presión, composición, energía. El equilibrio entre el vapor y el líquido de un compuesto está representado por la relación de moles de vapor y líquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor. La temperatura influye en las presiones de vapor y en consecuencia de la cantidad de energía proporcionada al sistema, también influye en la composición del vapor y el líquido ya que esta depende de las presiones del vapor. La presión tiene directa influencia en los puntos de ebullición de los líquidos orgánicos y por tanto en la destilación. La composición es una consecuencia de la variación de las presiones de vapor, de la temperatura que fijan las composiciones en el equilibrio. Puntos de ebullición, son aquellos puntos o temperaturas de compuestos puros a las que sus presiones de vapor igualan a la presión atmosférica, produciéndose el fenómeno llamado ebullición.

CLASIFICACIÓN DE LA DESTILACIÓN Se clasifican en: Destilación simple o sencilla. Destilación Fraccionada. Destilación por Arrastre de vapor. Destilación a presión reducida o al vacio.

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DESTILACIÓN SIMPLE Utilizando el sistema de la figura siguiente, el líquido se destila desde el matraz de destilación, ocurriendo primeramente la vaporización, estableciéndose el equilibrio liquido vapor. Parte del vapor se condensa en las paredes del matraz, pero la gran parte pasa por la salida lateral condensándose debido a la circulación del agua fría por el tubo refrigerante, a este producto se le conoce como, “ destilado”, y a la porción que queda en el balón de destilación el “ residuo”, se debe mantener el ritmo de destilación, manteniendo continuamente una gota de condensado en el bulbo del termómetro. Para evitar el sobrecalentamiento de los líquidos es necesario introducir en el balón, núcleos de ebullición y mantener constante el ritmo de destilación. La destilación simple es aplicable en los sistemas que contengan líquidos orgánicos de puntos de ebullición bastante diferenciados, ejemplo: Sistema butanos-etanol, aguametanol.

DESTILACIÓN FRACCIONADA La destilación fraccionada no es nada más que una técnica para realizar una serie completa de pequeñas separaciones (destilación simple), en una operación sencilla y continua, que utiliza el equipo de la figura siguiente. Una columna de destilación fraccionada proporciona una gran superficie para el intercambio de calor, en las condiciones de equilibrio, que se establece entre el vapor que asciende y el líquido (condensado) que desciende. Esto tiene como consecuencia una serie completa de evaporaciones y condensaciones parciales en toda la longitud de la columna de fraccionamiento. Cuando el condensado en algún punto de la columna toma calor del vapor, parte se evapora de nuevo y el vapor formando el más rico en el componente mas volátil (el de menor ebullición). Al mismo tiempo, cuando el vapor cede calor al condensado, parte del mismo se condensa, siendo este condensado más rico en el componente menos volátil (el de mayor punto de ebullición), bajo este panorama podemos decir que partiendo de la base de la columna, a medida que aumenta la altura aumenta el enriquecimiento del componente más volátil e inversamente con el componente menos volátil. También se establece a lo largo de la columna un gradiente de temperaturas que varían desde el punto de ebullición del componente X hasta el punto de ebullición del componente Y. Existe una influencia adicional al equilibrio termodinámico liquido-vapor, y este es el intercambio de energía (perdida) que se verifica a lo largo de la columna de fraccionamiento.

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DESTILACIÓN AL VACIO Muchas sustancias no pueden purificarse por destilación a la presión ordinaria, por que se descomponen a temperaturas cercanas a su punto de ebullición normal, en otros casos la destilación requiere de inmensas inversiones o utilización de energía en gran cantidad, o finalmente poseen problemas de equilibrio liquido-vapor, en consecuencia se emplea el método de destilación al vacio o a presión reducida. Sabemos que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala a la presión atmosférica o de operación, por lo tanto si reducimos la presión de operación tendremos la ebullición a temperaturas bajas, esta no incluye a la destilación fraccionada.

DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR E una técnica que sirve fundamentalmente para separar sustancias insolubles en agua y literalmente volátiles, de otros productos no volátiles mezclados con ellas. Este método es un buen sustituto de la destilación al vacio, y tiene algunas ventajas, ya que la destilación se realiza a temperaturas bajas. El comportamiento de la destilación de un sistema de dos fases inmiscibles, donde cada líquido ejerce su propia presión de vapor y la suma de ambas es de la presión de operación, y son independientes de las cantidades relativas de la mezcla. Estos hechos constituyen la base para la purificación de sustancias por el arrastre de una corriente de vapor. Existen varios compuestos orgánicos de punto de ebullición relativamente alto que con agua con-destilan en una cantidad en peso lo suficientemente grande para ser destilados con cierta rapidez por debajo del punto de ebullición del agua. Esto se debe a sus pesos moleculares relativamente elevados comparados con las del agua.

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ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (una unidad del proceso, varias unidades o el proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general:

ENTRADA

+

PRODUCCION

-

SALIDA

-

CONSUMO

=

ACUMULACION

Entrada (entra a través de las fronteras del sistema) + Producción (producida dentro del sistema)  –  Salida  (sale a través de las fronteras del sistema)  –   Consumo (consumida dentro del sistema) = Acumulación (acumulada dentro del sistema). Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso, para cualquier especie atómica (balance parcial de masa) o para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa). Se pueden escribir dos tipos de balances: Diferenciales e Integrales. BALANCES DIFERENCIALES:  Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo (g/s, barriles/día). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos continuos. BALANCES INTEGRALES: Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto. BALANCES EN PROCESOS CONTINUOS EN RÉGIMEN PERMANENTE: Para cualquier sustancia involucrada en el proceso, el término de acumulación en la ecuación de balance debe ser igual a cero, de lo contrario, la cantidad de la sustancia en el sistema debe necesariamente cambiar con el tiempo y, por definición, el proceso no se llevaría a cabo en régimen permanente. Así pues, para los procesos continuos en régimen permanente, la ecuación general de balance se simplifica en:

Entrada + Producción = Salida + Consumo

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“ UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN ” EJERCICIO: Mil quinientos kilogramos por hora de una mezcla de benceno y tolueno que contiene 55% en masa de benceno se separan, por destilación, en dos fracciones. La velocidad de flujo másico del benceno en la parte superior del flujo es de 800 kg/h y la del tolueno en la parte inferior del flujo es de 600 kg/h. La operación se lleva a cabo en régimen permanente. Escriba los balances del benceno y del tolueno para calcular las velocidades de flujo no conocidas de los componentes en los flujos de salida. 800 kg b/h – q1 kg t/h

825 kg b/h 675 kg t/h 600 kg t/h – q2 kg b/h

El proceso se efectúa en régimen permanente y por eso el término acumulación de los balances de masa es cero. Como no ocurren reacciones químicas, los términos de producción y consumo son iguales a cero. Por lo tanto, la ecuación de balance de masa toma la forma: Entrada = salida. Balance parcial de masa de benceno:

825 kg b/h = 800 kg b/h + q2

q2 = 25 kg b/h Balance parcial de masa de tolueno: 675 kg t/h = q1 + 600 kg t/h q1 = 75 kg t/h Comprobación: Balance total de masa:

1500 kg/h = 800 kg/h + q1 + q2 + 600 kg/h

1500 kg/h = 800 kg/h + 75 kg/h + 25 kg/h + 600 kg/h 1500 kg/h = 1500 kg/h Respuesta: 25 kg b/h y 75 kg t/h.

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“ UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN ” BALANCES INTEGRALES EN PROCESOS INTERMITENTES: Cuando ocurren reacciones químicas en procesos intermitentes, como las fronteras del sistema no son atravesadas ni por reactivos ni por productos entre el momento inicial y el momento en el cual termina la reacción, la ecuación de balance se reduce a: Acumulación = Producción –   Consumo Además, la cantidad de cada sustancia en el reactor entre ambos momentos, es simplemente la cantidad final menos la cantidad inicial: Acumulación = Salida final –  Entrada Inicial Si se igualan estas dos expresiones para la acumulación, se tiene Entrada inicial + producción = salida final + consumo

Esta ecuación es idéntica a la ecuación para procesos continuos, excepto que en este caso los términos de entrada y salida denotan las cantidades inicial y final de la sustancia balanceada en vez de las velocidades de flujo de la misma en los flujos de alimentación y producción continuos. EJERCICIO: Dos mezclas etanol  –  agua se encuentran en dos matraces separados. La primera mezcla contiene 35% en peso de etanol, y la segunda contiene 75% en peso del mismo. Si se combinan 350 g de la primera mezcla con 200 g de la segunda, ¿cuál es la masa y la composición del producto?

350 g; 35% etanol y 65% agua

Q (g); x% etanol

200 g; 75% etanol y 25% agua

Como no hay reacciones químicas involucradas, los términos de producción y consumo de la ecuación de balance valen cero y la ecuación toma la forma “entrada = salida”. Balance total de masa: 350 g + 200 g = Q → Q = 550 g. Balance parcial de masa para el etanol: 350 g * 0,35 + 200 g * 0,75 = 550 g * ret ret = 0,4955

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“ UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN ” El cálculo se puede comprobar mediante el balance parcial de masa para el agua: 350 g * 0,65 + 200 g * 0,25 = Q * r agua. → 277,5 g

=

550 g * (1 – 0,4955)

→ 277,5 g

=

277,5 g.

BALANCES INTEGRALES SOBRE PROCESOS SEMIINTERMITENTES Y CONTINUOS: Los balances integrales también pueden escribirse para procesos semiintermitentes y continuos. El procedimiento consiste en escribir un balance diferencial del sistema y después integrarlo entre dos instantes de tiempo. EJERCICIO: Se hace burbujear aire a un tanque de hexano líquido a una velocidad de 0,125 kmol / min. El gas que sale del tanque contiene 12,0% en mol de vapor de hexano. Se puede considerar que el aire es insoluble en el hexano líquido. Utilice un balance integral para estimar el tiempo requerido para vaporizar 15,0 m 3 de hexano.

Q kmol / min 0,120 kmol hexano /kmol 0,880 kmol aire / kmol

TANQUE 0,125 kmol aire/ min

Balance de masa diferencial para el aire (entrada = salida): 0,125 kmol aire/min = 0,880 kmol aire/kmol * Q Q = 0,142 kmol / min Un balance del hexano toma la forma acumulación = - salida. Acumulación = - 15 m 3* 659 kg / m3* 1 kmol / 86,0 kg = - 114,9 kmol El término de salida en el balance se obtiene integrando la velocidad de salida diferencial desde el tiempo inicial del proceso (t = 0) hasta el tiempo final que es la cantidad a calcular: -114,9 kmol = - ∫0t (0,120 * Q * dt) = - 0,120 * Q * t t = 6742,96 min 13

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BIBLIOGRAFIAS  

http://fjarabo.quimica.ull.es/Practics/IQ2/IQ2Files/Practicas_10.pdf   http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/integracion3/UT2_Balance_de_m ateria.pdf  Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica. Warren L. McCabe, Smith, Harriott. Cuarta Edicion. Mc Graw-HillPag:482   http://ccaa.ica.googlepages.com/EVAPORACION.pdf   http://quim.iqi.etsii.upm.es/

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