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Instituto Tecnológico de Morelia

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA

TAREA ASIGNATURA:

OPERACIONES UNITARIAS 3

UNIDAD/TEMA:

1. DESTILACIÓN

COMPETENCIA ESPECÍFICA A EVALUAR: NOMBRE DEL DOCENTE:

(1) Diseña destiladores simples por lotes. (2) Identifica las principales variables de operación en destilación por arrastre por vapor. (3) Diseña columnas de destilación por rectificación. (4) Opera equipos de destilación.

NOMBRE DE LOS ALUMNOS:

Jennyfer Ruby Alvarado Alcantar. 16121075 Guadalupe Virrueta Báez. 17120137 24/09/2021

FECHA:

D.C. Mariana Alvarez Navarrete

INSTRUCCIONES: 1. 2. 3.

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Lee cuidadosamente cada uno de los ejercicios. Resuelve los ejercicios propuestos de acuerdo con los pasos indicados y los temas vistos en clase. Para los ejercicios 3, 5, 6 y 7 deberás incluir: a) El diagrama de flujo etiquetado adecuadamente. b) Todos los cálculos necesarios, incluidos los balances de materia. c) Las gráficas de equilibrio con las líneas de operación y del plato de alimentación. d) Los resultados resaltados con un color diferente o con recuadros. e) Análisis de resultados y conclusiones. Para el resto de los ejercicios deberás incluir todos los cálculos necesarios, los resultados resaltados con un color diferente o con recuadros. Todos los cálculos se podrán realizar a mano en hojas blancas o de reciclaje y posteriormente escaneadas, o se pueden escribir en el procesador de textos Word. La fecha límite para la entrega de los ejercicios será el domingo 18 de octubre a las 23:59 horas. Después de la fecha indicada no se aceptarán tareas por ningún motivo. Incluye el enunciado de cada ejercicio en tu trabajo. La tarea es en parejas y tiene un valor del 40 % para esta unidad. Incluye el nombre completo de los dos estudiantes. en el espacio correspondiente. Todos los ejercicios deben aparecer en un solo documento en formato PDF. El trabajo se subirá en este formato a la plataforma MICROSOFT TEAMS.

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EJERCICIO 1 (2 puntos). Con los datos de la tabla siguiente procede a lo siguiente para el sistema benceno-tolueno: a) Calcula yA y xA, a 378.2 K, con la ecuación de la ley de Raoult. b) ¿Podrá hervir una mezcla con composición xA = 0.40 a 358.2 K y 101.32 kPa de presión? De no ser así, ¿a qué temperatura hervirá y cuál será la composición del primer vapor que se desprenda?

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EJERCICIO 2 (2 puntos). A continuación, se muestran datos de presión de vapor para el sistema hexano-octano:

a)

Calcula y grafica los datos xy (curva de equilibrio) a una presión total de 101.32 kPa, usando la ley de Raoult. Elabora una tabla con las fracciones molares del componente más volátil para ambas fases, líquido-vapor. b) Construye y etiqueta correctamente el diagrama de puntos de ebullición.

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Gráfica XY para la mezcla hexano-octano Fraccion de A en el vapor (YA)

1.2

0.8 0.6 0.4 0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

Fracción de A en el liquido (XA)

Diagrama de puntos de ebullicion para la mezcla hexano-octano 140

Región Vapor

Temperatura °C

120 100

Vapor-Liquido

80 Liquido saturado

60

40

Vapor Saturado

Región Liquido

20 0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

Fracción mol de hexano en el liquido XA o en el vapor YA

EJERCICIO 3 (4 puntos). Una mezcla de 100 mol que contiene 60% mol de n-pentano y 40% mol de n-heptano se vaporiza a 101.32 kPa abs de presión hasta que se producen 40 mol de vapor y 60 mol de líquido en equilibrio. Esto se lleva a cabo en un sistema de una sola etapa y el vapor y el líquido se mantienen en contacto entre sí hasta que la vaporización es completa. Los datos de equilibrio se muestran en la siguiente tabla. Calcula la composición del vapor y del líquido.

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Datos de equilibrio para el sistema n-pentano - n-heptano (x y y son fracciones mol de n-pentano)

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Gráfica XY para la mezcla n-pentano-n-heptano

Fracción de A en el vapor (YA)

1.2

0.8 0.6 0.4 0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

Fracción de A en el liquido (XA)

Conclusión El ejercicio demuestra como la destilación diferencial o por lotes requiere una gran cantidad de energía y como no es muy adecuado su utilización a nivel industrial, se puede notar como el n-pentano resulto ser el componente más volátil por su temperatura de ebullición menor al n-heptano produciendo así 40 mol de vapor pasando a ser recuperados a través de un condensador, donde resulto ser más rico en el componente n-pentano.

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Volatilidad

EJERCICIO 4 (2 puntos). Usando los datos de equilibrio para el sistema n-pentano (A) - n-heptano (B) de la tabla anterior, calcula la volatilidad relativa (αAB) para cada concentración y grafica αAB en función de la composición de líquido xA.

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EJERCICIO 5 (6 puntos). Una columna de rectificación se alimenta con 100 kg mol/h de una mezcla de 50% mol de benceno y 50% mol de tolueno a 101.32 kPa de presión absoluta. La alimentación es un líquido a su punto de ebullición. El destilado debe contener 90% mol de benceno y el residuo 10% mol de benceno. La relación de reflujo es 4.52: 1. Calcule los kg mol/h de destilado, los kg mol/h de residuo y el número de platos teóricos necesarios por medio del método de McCabe-Thiele.

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Numero de platos teóricos = 6

q Línea de enriquecimiento (verde)

Línea de empobrecimiento (amarillo)

Conclusión Este sistema de destilación fraccionado no requiere una gran cantidad de platos teóricos y por ende de energía para obtener el producto final, así que se puede decir que es un sistema rentable o conveniente para ser utilizado con un líquido saturado de alimentación.

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EJERCICIO 6 (8 puntos). Una mezcla equimolecular de heptano-octano entra como alimentación en un plato intermedio de una columna de rectificación que trabaja a la presión atmosférica normal. Se desea obtener un producto destilado que contenga 98 % moles de heptano y un producto de colas que solo ha de contener 5 % moles de heptano. La alimentación entra en la columna a su temperatura normal de ebullición. El vapor procedente del piso 1 entra en el condensador de reflujo, que en esta columna es un condensador total. Una parte del condensado vuelve a la columna a su temperatura de condensación y otra sale como producto destilado, de tal modo que la relación entre el líquido que retorna y el vapor que llega (relación de reflujo) es L/V = ¾. Determina el número de pisos teóricos necesarios y la posición del plato de alimentación.

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q

Línea de enriquecimiento (verde)

Numero de platos teóricos = 4

Línea de empobrecimiento (amarillo)

EJERCICIO 7 (10 puntos). Una columna de fraccionamiento continuo ha de diseñarse para separar 30 000 lbm/h de una mezcla del 40 por 100 de benceno y 60 por 100 de tolueno en un producto de cabeza que contiene 97 por 100 de benceno y un producto de cola del 98 por 100 de tolueno. Estos porcentajes están expresados en peso. Se utilizará una relación de reflujo de 35 moles por mol de producto. Los calores latentes molares del benceno y del tolueno son 7360 y 7960 cal/mol-g, respectivamente. El benceno y el tolueno forman un sistema ideal con una volatilidad relativa del orden de 2.5. La alimentación tiene una temperatura de ebullición de 95 °C a la presión de 1 atm.

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(a) Construye y etiqueta correctamente la curva de equilibrio para esta mezcla binaria (2 puntos). (b) Calcula los flujos molares de los productos de cabeza y cola por hora (2 puntos). (c) Determina el número de platos ideales o teóricos y las posiciones del plato de alimentación: (i) si la alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición; (ii) si la alimentación es un líquido a 20 °C (calor específico = 0.44 cal/g mol∙°C); (iii) si la alimentación es una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de líquido (6 puntos).

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a)

Construye y etiqueta correctamente la curva de equilibrio para esta mezcla binaria.

Curva de equilibrio para el sistema Benceno-Tolueno. 1.2

1

YA

0.8 0.6 0.4

0.2

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

XA

C) i) si la alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición.

Numero de platos teóricos = 9

q

Línea de enriquecimiento (verde)

Línea de empobrecimiento (amarillo)

1.2

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ii) si la alimentación es un líquido a 20 °C (calor específico = 0.44 cal/g mol∙°C).

q Numero de platos teóricos = 10

Línea de enriquecimiento (verde)

Línea de empobrecimiento (amarillo)

iii) si la alimentación es una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de líquido.

Numero de platos teóricos = 9

q Línea de enriquecimiento (verde)

Línea de empobrecimiento (amarillo)

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Conclusión La destilación fraccionada enfoca su eficiencia en base a la cantidad de platos teóricos, es por ello que es un método muy costoso, laborioso y tardado en cuestión del tiempo, es decir entre más platos teóricos más energía y tiempo tomara la destilación, el ejercicio anterior demuestra cómo se llevó a cabo la destilación a partir de diferentes condiciones de los componentes en la alimentación de la columna, aun así no hay un cambio muy grande en la cantidad de platos teóricos, por lo que si se desea escoger una seria si la alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición o si es una mezcla liquido vapor con las fracciones de dos tercios de vapor y un tercio de líquido, posiblemente existan otras condiciones más adecuadas para este proceso al cambiar las fracciones o la cantidad de alimentación. EJERCICIO 8 (6 puntos). Investiga los datos de equilibrio de 4 mezclas binarias diferentes a las que se revisaron en esta unidad y en los ejercicios anteriores, incluida al menos una mezcla azeotrópica: a)

Calcula y grafica los datos xy (curva de equilibrio) a la presión total que se reporta en la información investigada para cada una de las mezclas. Elabora una tabla con las temperaturas y las fracciones molares del componente más volátil para ambas fases, líquido-vapor. b) Construye y etiqueta correctamente el diagrama de puntos de ebullición para cada una de las mezclas.

a) 1. Mezcla para tolueno – n-heptano a 1 atm. Temperatura de ebullición de tolueno – 110.6°C Temperatura de ebullición de heptano – 98.42°C

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2. Mezcla para benceno – tetracloruro de carbono a 1 atm. Temperatura de ebullición de benceno – 80.1°C Temperatura de ebullición de tetracloruro de carbono – 76.72°C

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3.Mezcla Etanol – Agua a 0.7868 atm. Temperatura de ebullición - 78°C = 99°C Temperatura de ebullición – 100°C = 127°C

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4. Mezcla Agua –Etilenglicol a 07868 atm. Temperatura de ebullición – 197°C = 250.38°C Temperatura de ebullición – 100°C = 127.09°

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1. Mezcla para tolueno – n-heptano a 1 atm

Diagrama T-x,y a 1 atm Tolueno-n-heptano 112 110

108

Temperatura (°C)

b)

106

Punto de burb buja

104 102 100

Punto de rocio

98 96 0.2

0.4

0.6

xA, yA

0.8

1.2

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2. Mezcla para benceno – tetracloruro de carbono a 1 atm

Diagrama T-x,y a 1 atm Benceno-tetracloruro de carbono 84 82

Punto de burbuja

80

78

Punto de rocio

76 74 72 70 68 0.2

0.4

0.6

xA, yA

3.Mezcla Etanol – Agua a 0.7868 atm

0.8

1.2

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4.Mezcla Agua –Etilenglicol a 07868 atm

Diagrama de T-x,y a 0.7868 atm Agua-Etillenglicol 100

90

Punto de burbuja

Temperatura (°C)

80 70 60

Punto de rocio

50 40 30 20 10 0.2

0.4

0.6

xA, yA

0.8

1.2