DESTILACION MULTICOMPONENTE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA

CURSO : TRANSFERENCIA DE MASA II PI - 147 - A TEMA : DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE INTEGRANTES

:

TORRES ALTAMIRANO, JUAN ANTONIO.

20071254J

BARZOLA SALVADOR , LUIS BERNARDO.

20084116J

DE LA CRUZ ARANDA , YULIZA .

20072640K

PROFESOR

:

ING. CELSO MONTALVO

FECHA

:

09/09/2011

2011-II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de ingeniería Química y Textil

Laboratorio de Transferencia de Masa II

LABORATORIO N 0 01 DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE PROBLEMA Se va a fraccionar o destilar a presión atmosférica una mezcla de multicomponentes que incluye los siguientes compuestos Componente Ácido Acetico Ácido Propanoico Ácido Butanoico Ácido Metanoico

Fracción Molar 0.1 0.3 0.4 0.4

Se desea que en el destilado no haya mas del 2 % del componente Ácido Butanoico y no mas del 1 % componente Ácido Propanoico en el fondo . La mezcla se alimenta en el punto de burbuja .

CALCULAR 1. Determinar las composiciones de cada componente en el destilado y fondo 2. Calcular el punto de burbuja en el fondo y punto de Rocío en el destilado 3. Determinar la relación de reflujo mínimo 4. Calcular el número de platos mínimos y el número de platos reales para trabajar con un R= 2Rmin 5. Calcular o estimar el plato de alimentación 6. Suponiendo que se trabaja con un flujo de 1000 Kmol/h alimentación, calcular cual es el calor necesario para el reervidor y cuál es el calor que se debe retirar en el condensador del tope.

Observación: Desarrollar el trabajo en Excel siguiendo el método usado en clase (K como función de la Presión de Vapor), y presentar una comparación de la misma aplicación usando Hysys (usando UNIQUAC). La comparación consistirá en la presentación del Diagrama de Flujo donde se muestren en forma tabular las temperaturas, presión, flujos molares y composiciones para cada corriente y el resultado general de los datos solicitados.

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SOLUCIÓN Para las operaciones involucradas en el diseño operacional se va a usar el método de Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) Este método aunque sólo es aproximado, se utiliza mucho en la práctica con fines tales como el diseño preliminar, estudios paramétricos para establecer las condiciones óptimas de diseño, así como para estudios de secuencias óptimas de separación en la síntesis de procesos. Un esquema del algoritmo a seguir se muestra en la Fig.

1. Determinar las composiciones de cada componente en el destilado y fondo De los datos dados y del balance de masa se obtiene el siguiente cuadro FLUJOS MOLARES Componentes Alimentacion (F) Kmol/h Destilado (D) Kmol/h Residuo (W) Kmol/h Acido acetico 100 100 0 Acido propanoico 300 297 3 Acido butanoico 400 8 392 Acido metanoico 200 0 200 total 405 595

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ESQUEMA

F =1000Kmol/h Ácido Acetico =100 Kmol/h Ácido Propanoico = 300 Kmol/h Ácido Butanoico = 400 Kmol/h Ácido Metanoico = 200 Kmol/h

DESTILADO Ácido Acetico = 297 Kmol/h Ácido Propanoico = 8 Kmol/h Ácido Metanoico=100Kmol/h

Los claves ligeros y pesados para esta operación son :

FONDO Ácido Acetico = 3 Kmol/h Ácido Propanoico = 392 Kmol/h Ácido Butanoico = 200 Kmol/h

Clave Ligero(LK) Acido propanoico Clave Pesado(HK) Acido butanoico

Hallamos las fracciones molares para el destilado y residuo: COMPOSICION fraccion molar Componentes Destilado (D) Acido acetico 0.2469 Acido propanoico 0.7333 Acido butanoico 0.0198 Acido metanoico 0 1.0000

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fraccion molar Residuo (W) 0.0000 0.0050 0.6588 0.3361 1.0000

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2. Calcular el punto de burbuja en el fondo y punto de Rocío en el destilado A. TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL RESIDUO (datos del Excel ) TEMPERATURA DE BURBUJA RESIDUO componente C1 C2 C3 C4 Acido Acetico 53.27 -6304.5 -4.2985 Acido propanoico 54.552 -7149.4 -4.2769 Acido n-butanoico 93.815 -9942.2 -9.8019 Acido metanoico 50.323 -5378.2 -4.203 Fuente Perry Chemical Engineers Handbook (7ed) Temperatura (K)

404.5

Presion (Kpa)

C5 8.8865E-18 1.1843E-18 9.3124E-18 3.4697E-06

Pvap (Kpa) 6 150.3346626 6 73.84963832 6 34.18059391 2 234.6023056

101.325

componente zi Pvap(Kpa) Ki α α*xi Acido Acetico 0 150.334663 1.483687763 4.398246063 0 Acido propanoico 0.00504202 73.8496383 0.728839263 2.160572122 0.010893641 Acido n-butanoico 0.65882353 34.1805939 0.337336234 1 0.658823529 Acido metanoico 0.33613445 234.602306 2.315344738 6.863611154 2.307096186 1 2.976813357 Entonces

K Ki-K

0.33592969 0.00140654

B. TEMPERATURA DE ROCIO EN EL DESTILADO (datos del Excel ) TEMPERATURA DE ROCIO

DESTILADO

componente C1 C2 C3 C4 Acido Acetico 53.27 -6304.5 -4.2985 Acido propanoico 54.552 -7149.4 -4.2769 Acido n-butanoico 93.815 -9942.2 -9.8019 Acido metanoico 50.323 -5378.2 -4.203 Fuente Perry Chemical Engineers Handbook (7ed) Temperatura (K)

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Presion (Kpa)

C5 8.8865E-18 1.1843E-18 9.3124E-18 3.4697E-06

Pvap (Kpa) 6 180.3210808 6 91.27691968 6 43.30267547 2 275.7674299

101.325

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componente zi Pvap(Kpa) Ki α yi/α Acido Acetico 0.24691358 180.321081 1.779630701 4.164201838 0.059294335 Acido propanoico 0.73333333 91.2769197 0.900833157 2.107881758 0.347900602 Acido n-butanoico 0.01975309 43.3026755 0.427364179 1 0.019753086 Acido metanoico 0 275.76743 2.721612928 6.36836932 0 1 0.426948024 Entonces

K Ki-K

0.42694802 0.00041616

Finalmente de los datos calculados en el Excel obtenemos la siguiente tabla: PUNTO

TEMPERATURA (K)

ROCIO

411.0

BURBUJA

404.5

3. Determinar la relación de reflujo mínimo Para hallar el reflujo mínimo usamos la Ecuación de Underwood y con la temperatura promedio Temperatura promedio =(Tb+Tr)/2 =407.75 K ∑ ∑

Aplicamos el procedimiento iterativo para hallar el valor de y además como se alimenta en el punto de burbuja , sabemos que q=1, luego la ecuación se transforma en ∑ Con la hoja de cálculos del Excel obtenemos la siguiente tabla mediante un proceso iterativo componente zi Acido Acetico Acido propanoico Acido n-butanoico Acido metanoico Ѳ=

Pvap(Kpa) Ki α αjxZj F/(αj-Ѳ) αjxXj D/(αj-Ѳ) 0.1 164.779521 1.626648775 4.277955056 0.145252652 0.358648525 0.3 82.182097 0.811274403 2.133586233 0.799282334 1.953801261 0.4 38.5182917 0.3802398 1 -1.2020206 -0.05935904 0.2 254.523371 2.512570298 6.607857195 0.250530871 0 1 SUMA -0.00695474 2.253090743 1.332773

La iteración produce un Ѳ=1.332773 Luego hallamos el reflujo mínimo el cual es Rmin =1.25309 DESTILACIÓN MULTICOMPONTE

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4. Calcular el número de platos mínimos y el número de platos reales para trabajar con un R= 2Rmin Para calcular el mínimo numero de platos utilizamos Ecuación de Fenske

√

Con los datos obtenidos hallamos la volatilidad promedio del clave ligero Componente clave Acido propanoico LK Acido n-butanoico HK

K des (D) 0.900833157 0.427364179

Frac molar (D) 0.733333333 0.019753086

K res(B) Frac molar (B) 0.728839263 0.005042017 0.337336234 0.658823529

Entonces √ Luego el número de platos mínimos es :

Para calcular el número de platos reales utilizamos Ecuación de Guilliland √

Pero por dato R=2Rmin

En la ecuación de Guilliland

Finalmente obtenemos el valor de N= 12.899

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5. Calcular o estimar el plato de alimentación Para calcular el plato de alimentación usamos la ecuación de Kirkbride

Dónde: NR=Número de platos en sección de rectificación (arriba). NS=Número de platos en Stripping (abajo). NR + NS = N De los datos hallados tenemos Componente clave

X Frac molar (D)

Z Frac molar (B)

Ácido propanoico LK

0.733333333

0.005042017

Ácido n-butanoico HK

0.019753086

0.658823529

Flujo de Destilado Kmol D

405

Flujo de Residuo Kmol B

595

2 N R  0.659   0.733   595      .  .  N S  0.005   0.019   405  

Además N= NR + NS = 31.14 NS = 12.899

0.206

 30.14

NS =0.4142

NR =11.59

Finalmente el plato de alimentación es : número 13 6. Suponiendo que se trabaja con un flujo de 1000 Kmol/h alimentación, calcular cual es el calor necesario para el reervidor y cuál es el calor que se debe retirar en el condensador del tope.

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Usando HYSYS obtenemos los siguientes resultados

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BIBLIOGRAFIA 1. Treybal, Robert; Operaciones de Transferencia de Masa; Mc Graw Hill; 2° Edc. (Español), 1 981. 2. Seader, J. D.; Henley, Ernest J.; Separation Process Principles; John Wiley & Sons, Inc.; 1 998. 3. Hines, Anthony L.; Maddox, Robert N.; Transferencia de masa: Fundamentos y Aplicaciones; Prentice Hall Hispanoamericana S.A.; 1 984.

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