tORRE DE EMPAQUE ESTRUCTURADO
April 3, 2023 | Author: Anonymous | Category: N/A
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TORRE DE EMPAQUE ESTRUCTURA ESTRUCTURADO DO
INTRODUCCION
La destilación es uno de los procesos de separación más utilizados en la industria química y petroquímica; por lo mismo es uno de los más estudiados para lograr innovaciones que aumenten la eficiencia de la separación. La destilación es un proceso físico de separación entre uno o más compuestos de una mezcla líquida o gaseosa, que se basa en los diferentes puntos de ebullición de los componentes. La destilación ponen en contacto a contracorriente una fase líquida con otra fase vapor, los componentes más volátiles son transferidos a la fase vapor y los menos volátiles a la fase líquida. A través del tiempo en que ha sido empleada la destilación, muchos dispositivos y métodos para lograr el contacto líquido-vapor han sido utilizados para favorecer la velocidad de transferencia de masa. Convencionalmente el proceso de destilación es realizado en columnas o torres, que tienen como dispositivos internos platos o empaques. Los platos pueden ser perforados, de cachuchas o de válvulas. Los empaques se dividen en dos ti tipos, pos, los aleatorios que son colocados dentro de la columna en una forma aleatoria; y los estructurados que son colocados en forma ordenada y cuidadosamente dimensionados al diámetro de la columna. La columna empacada es un dispositivo que permite hacer más eficiente y continúo el contacto vapor líquido, maximiza la utilización del área circular y el volumen de la columna. En su forma más simple cosiste en una cantidad de empaques que son depositados dentro de la columna. El líquido es vertido desde la parte superior del empaque por medio de un distribuidor. Este líquido (fase dispersa) entonces desciende en forma de película sobre la superficie del empaque y en su trayecto hace contacto con el vapor (fase continua) que va ascendiendo; la concentración los compuestos es diferente en la faseylíquida l íquida que baja y la fase gaseosa que sube. Estede arreglo de contacto a contracorriente concentraciones diferentes provee la fuerza impulsora o diferencial para que el proceso de transferencia de masa se realice. Esta destilación puede ser mejorada por empaques estructurados o integrales que son dispositivos que funcionan como contactores gas-líquido, lechos, rellenos o empaques en columnas de separación y que proporcionan una gran superficie para facilitar el contacto entre el líquido y el gas. Los empaques de alta eficiencia para columnas industriales se construyen de varios materiales: metálicos de diversas aleaciones, de plástico o polimérico, cerámico y de carbón: de placa o malla corrugada. Se suministran en varios tamaños con distintos ángulos de corrugación y forman canales de flujo triangular. La naturaleza de la
superficie del empaque, así como las dimensiones del canal de flujo son variables. Dichos empaques han resultado ser una inversión redituable cuando se comparan con las columnas de plato o empaques aleatorios en diversas operaciones industriales ya que ofrecen ventajas como: Reducen los acanalamientos asociados con los empaques aleatorios.
Tienen muy poca caída de presión sin disminuir la eficiencia. Su gran área superficial por unidad de volumen aumenta la eficiencia. Los grandes espacios entre las hojas adyacentes paralelos proveen alta capacidad a lo largo de la columna con poca caída de presión.
OBJETIVO
OBJETIVO GENERAL Operar la torre de destilación con empaques estructurados; así como analizar y relacionar las variables de diseño para que pueda establecer condiciones adecuadas de operación en la zona de carga de la columna. OBJETIVOS PARTICULARES Calcular tanto los coeficientes teóricos como experimentales de transferencia de masa. Calculas las caídas de presión en la torre y el porcentaje de carga de la torre. Conocer la altura equivalente de plato teórico (HETP) así como la altura de la unidad de transferencia de masa de la torre de empaque estructurado.
PROBLEMA EXPERIMENTAL
Calcular experimentalmente y teóricamente los coeficientes de transferencia de masa; la altura equivalente de plato teórico (acrónimo en inglés HETP) y la altura de la unidad de transferencia de masa de la torre de empaque estructurado y compararlos con los obtenidos en la torre de destilación empacada de 3 pulgadas instalada en la nave 1000 de Ingeniería Química. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Material, equipo y servicios.
MATERIAL
EQUIPO
SERVICIOS
10 Tubos de ensaye
Torre de destilación de Vapor empaque estructurado instalada en la nave 1000.
Gradilla
Refractómetro de Abbe.
2 Probetas de 4L
Agua de enfriamiento Energía eléctrica.
Procedimiento experimental. 1. 1. Verificar que no existan los residuos en el tanque de fondos ni destilados antes de comenzar a experimentar y que el tanque de alimentación se encuentre al menos al 50% de su capacidad. 2. 2. Circular agua por el condensador. 3. 3. Introducir la mezcla de alimentación hasta llenar el vidrio de nivel a la mitad en el tanque de alimentación. Es importante no encender la bomba con válvulas cerradas, utilizar by pass, para el flujo del líquido. 4. Purgar el condensado y alimentar vapor de calentamiento, no pasar de 1 kg/cm2 5. 5. Abrir válvula del tanque de alimentación para tomar una muestra de líquido. 6. 6. Medir en refractómetro la composición inicial. 7. 7. Esperar a que el destilado suba a la torre, esperar a que el nivel destilado se observe. 8. 8. Cargar tanque de destilado hasta ¾ partes de su capacidad (Observar vidrio de reloj). 9. 9. Iniciar reflujo y observar que el nivel del tanque no descienda drásticamente, cuidando que la alimentación de vapor se mantenga constante. 10. Medir temperatura del reflujo. 10. 11. Cuando la temperatura 11. temperatura en el domo se encuentre entre 75 y 76 °C, hacer mediciones de la composición del destilado, y parar cuando las composiciones se mantengan
constantes.
RESULTADOS EXPERIM EXPERIMENTALES ENTALES
Diagrama de flujo con resultados experimentales.
D=4' (0.127 m) ’
X=0.8 T=76 C ) e u q a p m e e d s o t n e m e l e 6 ( m 3 . 1 = L
R=0.3 GPM I F
T=77 C
T=79 C
e d s o t n e ) m e e u l e q a 4 p ( m m e 7 4 1 . 0 = L
T=80 C
X=0 V-1
D= 6' (0.147 m) ’
Especificaciones Especificaci ones del empaque Mellapack 250Y -1
Área específica (m )
250
Fracción de espacios vacíos Ángulo de corrugación (°)
0.95 45
Altura de la corrugación (m)
0.0119
Base de la corrugación (m)
0.0171
Lado de la corrugación (m)
0.0241
Cálculo de propiedades físicas
La temperatura de punto de burbuja, fue de 77°C = 350.15 K, a continuación, se muestran las propiedades físicas de cada componente a esta temperatura:
Densidad mezcla liquida Propiedad
⁄
3.6910⁄ − 4.47810−
973.46 736
Propiedad
Conociendo la composición del destilado y las propiedades a la temperatura de burbuja, podemos obtener las propiedades físicas de mezcla a utilizar en el reporte Densidad de mezcla fase líquida:
Σ 466 =783.492 = 0.0.8∗736 ∗736 +0.0.=2∗973. =
Densidad de mezcla en la fase vapor:
Dónde:
P es la presión de trabajo en atm
Peso molecular de la mezcla R es la constante de los gases ideales
585 40. 4 6 760 = 0.08206 350.350.15 =1.1081 =3.6910− ∗0.2+4.47810− ∗ 0.8 = 4.32 1010−
T es la temperatura
Viscosidad mezcla liquida:
Viscosidad mezcla vapor: Para obtener la viscosidad de la mezcla de vapor, obtenemos los valores de la misma, para vapor de etanol y agua del nomograma que se encuentra en el Perry. Viscosidad [=] Pa*s
Vapor
Etanol
9.2x10^-7
Agua
1.09x10^-6
= +∗1, 2 + +∗2, 1 − 1,2= √ √ 18 11++ 1+ ∗
Para este cálculo emplearemos la ecuación de Wilke:
Donde:
2,1== ∗ ∗1,2 − − 1 9. 2 10 46. 0 7 46. 0 7 1,2= 11++ 18.02 1+1.0910− ∗ 18.02 =0.876053
Por lo tanto:
√ √ 8
− 2,1= 1.9.0291010 − ∗ 18.46.02∗0.27 ∗0.876053=1.8904
Sustituyendo:
− − 0. 0 4∗ 4∗ 1 1. . 0 910 0. 9 6∗ 6∗ 9 9. . 2 10 = 0.96+ 0.0.04∗0.876053−+ 0.04+ 0.0.96∗1.8904 =9.401610− =9.401610 − 4 4. . 3 2 10 = = 783.783.492 / ∗ =5.5137∗10− / − 9 9. . 4 01610 ∗ = 1.1081/∗ =8.484410− /
Viscosidad cinemática fase liquida:
Viscosidad cinemática fase vapor:
Tensión superficial Para el caso de la tensión superficial se calcula con las siguientes ecuaciones, que fueron obtenidas de un artículo: Para etanol:
=0.0244−. =0.0244−. =0.01712 =0.07610. /1=1.7541071210−−− / =0.07610.175410 7777− =0.062594 /=6.259410 / = ∑ = 0.0.81.71210− /+0.26.259410− /
La T es en °C y las unidades de la tensión superficial, son dina/cm
Para el agua:
Para obtener la tensión superficial de mezcla, se debe utilizar la siguiente fórmula:
=2.621410− /
Difusividad en el gas. Posteriormente se calculó la difusividad de etanol-agua en fase gas a 585 mmHg y 77°C. El cálculo de la difusividad se hará a partir de la siguiente ecuación:
Donde:
= 10− 1.0840.294 94 1 +1 / 1 + 1
= Difusividad (m2/s)
= peso molecular de A y B respectivamente (Kg/Kmol). Etanol (A)= 47.02, Agua (B)= 18.02 = presión absoluta (N/m2). =585 mmHg = 77980.5 N/m 2 = separación molecular durante el choque (nm), = (rA+rB)/2 = energía de la atracción molecular =
= constante de Boltzmann
√ √
= temperatura absoluta (K). =77°C = 350.15 = función de choque
Ya que no se reportan datos de la energía de atracción molecular y de la separación molecular durante el choque entre la constante de Boltzmann para el etanol, se calcularán dichos valores con las siguientes ecuaciones:
=1.1281/
Donde:
V= Volumen molal del líquido en el punto de ebullición normal (m 3/Kmol) Tb= Punto de ebullición normal. Calculando VA:
= 200..0148148 + 60.0.0037037 +0.0074=0.0592
El cálculo se realizó a partir de la ecuación del etanol C 2H6O, ya que se multiplica el número de moléculas por su respectivo volumen, el cual, fue extraído de la tabla 2.3 del libro Operaciones de Transferencia de Masa, del autor Robert E. Treybal. Por lo tanto, el valor de rA será:
=1. =1.182011.0351.359251.4//=425.=0.4159892 94 = +2 = 0.459892+0.2 2641 =0.361996
La temperatura de ebullición del etanol es de 351.4 K por lo que:
Una vez obtenidos los valores es posible obtener el valor de r AB de la siguiente forma:
También se llevará a cabo el cálculo para la obtención de continuación:
como se muestra a
= = 425.194809.1=586.5360
El coeficiente B en ambos casos indica que la propiedad corresponde al agua, por lo que para la obtención de rB y se leyeron los datos reportados del Treybal que se encuentran en la tabla 2.2.
Siguiendo con el cálculo obtenemos:
= 586.350.536015 =0.596979 =0.96 1 + 1 = 47.102 + 181 =0.27717
Por lo que leyendo el grafico 2.5 del Treybal se obtiene una función de choque de:
Finalmente se obtiene el siguiente valor para simplificar la ecuación del cálculo de difusividad:
Una vez obtenidos todos los datos necesarios se calcula la difusividad:
= 10−[1.1.0840.77980.29494500.0.2.37717771761996][350.0.194]6//[0.27717] =1.85×10− /
Difusividad del liquido Posteriormente se calcula la difusividad del líquido, tomando como disolvente el agua. El cálculo se realiza a través de la siguiente ecuación:
..
= 117.3×10−...
Donde:
= Difusividad de A en una solución diluida en el solvente B (m 2/s).
=Peso molecular del solvente (Kg/Kmol)
= Temperatura absoluta (K). =77°C = 350.15
= Viscosidad de la solución (Kg/m s)
= Volumen molal del soluto en el punto de ebullición normal (m3/Kmol) = 0.0756 para agua como soluto. = Factor de asociación para el disolvente = 2.26 para agua como disolvente, 1.9 metanol,
1.5 etanol. Por lo tanto, el coeficiente de difusión será:
−2.−26×18....350.15 =3.3064×10− / = 117.3×10 4.32×10 0.0592
Se realizó lo mismo para obtener las propiedades anteriores para una temperatura temperatura de 79°C, y se resumen en la siguiente tabla: PROPIEDAD Densidad de mezcla en la fase vapor Viscosidad mezcla liquida
Viscosidad mezcla vapor
Viscosidad cinemática fase liquida Viscosidad cinemática fase vapor Tensión superficial de mezcla
77°C
79°C
1.4.32110081 081− 9.401610− 5.5137∗10−− / 8.484410 / 2.621410− /
− 1. 1 981 981 4.1948 10 9.1210− 5.36∗10−− / 7.612010 / 2.6016610− /
1.85×10−− / 2.04×10−− / 3.3064×10 / 3.4216×10 /
Difusividad en el gas
Difusividad en el liquido
Con estas propiedades ya determinadas se procede a obtener los valores de los coeficientes de masa tanto teóricos como experimentales de la torre de empaque estructurado.
Cálculo de los coeficientes de transferencia de masa experimentales. Para determinar los coeficientes de transferencia de masa experimentales, haremos uso de las siguientes ecuaciones:
= =
El valor de NtOG y NtOL es el área bajo la curva del diagrama de McCabe-Thiele, la cual se determina por una integral, por lo que las ecuaciones anteriores se convierten en:
= ∫ ∗ = ∫ ∗
Donde:
Altura de lecho empacado [=]m
=
Nota* Se considera la suma de alturas de lecho empacado correspondiente a cada diámetro de la torre ya que cuenta con dos diámetros distintos. A partir de estos valores podemos conocer los coeficientes globales de transferencia de masa experimentales:
´ = ´ ´ = ´
Los valores de G’ y L’ serán de manera distinta ya que dependen del diámetro de la torre en
la cual se midan por lo cual tenemos 2 coeficientes para la fase gaseosa y dos para la fase liquida.Para determinar como ya se menciono hacemos uso del diagrama de McCabeThiele leyendo x* y x, a partir de un método gráfico, que se muestra a continuación:
Etanol-agua, x vs y, Calculo de NtoL 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 Y
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
X
Del método grafico anterior se desprenden los siguientes resultados:
x-1x* x-1x*p x-1x*p dx NTOL
x
x*
dx
0.02 0.002 0.06 0.01 0.04 0.1 0.015 0.04 0.14 0.02 0.04 0.18 0.025 0.04
55.5555556 20 11.7647059 8.33333333 6.4516129
37.7777778 15.8823529 10.0490196 7.39247312
1.51111111 0.63529412 0.40196078 0.29569892
0.22 0.04 0.04 0.26 0.048 0.04 0.3 0.062 0.04 0.34 0.075 0.04
5.55555556 4.71698113 4.20168067 3.77358491
6.00358423 5.13626834 4.4593309 3.98763279
0.24014337 0.20545073 0.17837324 0.15950531
0.38 0.09 0.04 0.42 0.12 0.04 0.46 0.14 0.04 0.5 0.17 0.04 0.54 0.215 0.04 0.58 0.275 0.04 0.62 0.325 0.04
3.44827586 3.33333333 3.125 -1.4925373 3.07692308 3.27868852 3.38983051
3.61093038 3.3908046 3.22916667 0.81623134 0.79219288 3.1778058 3.33425952
0.14443722 0.13563218 0.12916667 0.03264925 0.03168772 0.12711223 0.13337038
0.66 0.45 0.04 0.7 0.575 0.04 0.74 0.65 0.04 0.78 0.74 0.04 0.8 0.775 0.02
4.76190476 8 11.1111111 25 40
4.07586764 6.38095238 9.55555556 18.0555556 32.5
0.16303471 0.2552381 0.38222222 0.72222222 0.65
El valor de
es la sumatoria de
− ∗ dx =6.715
obteniendo un valor de:
Conociendo podemos ssustituir ustituir en las ecuaciones ant anteriores eriores para calcular Z=suma de las dos zonas de contacto dentro de la torre con un valor de 2.162m:
= 2.6.176215 =0.3219
1 0.9 0.8 0.7
0.6
y
0.5 0.4 0.3 0.2
Etanol-agua, x vs y, Calculo de NtoG
si
0.1 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
El método grafico anterior desprende los siguientes resultados para NtoG
y
y*
0.02 0.06 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5 0.54 0.58 0.62 0.66 0.7 0.74 0.8
0.12 0.3 0.4 0.46 0.5 0.54 0.57 0.59 0.61 0.63 0.65 0.66 0.68 0.7 0.72 0.73 0.75 0.77 0.8 0.83
dy
0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.06
NTOG
El valor de
es la sumatoria de
∗ ∗ ∗
10 4.16666667 3.33333333 3.125 3.125 3.125 3.22580645 3.44827586 3.7037037 4 4.34782609 5 5.55555556 6.25 7.14285714 9.09090909 11.1111111 14.2857143 16.6666667 33.3333333
∗− =5.794
7.083333333 3.75 3.229166667 3.125 3.125 3.175403226 3.337041157 3.575989783 3.851851852 4.173913043 4.673913043 5.277777778 5.902777778 6.696428571 8.116883117 10.1010101 12.6984127 15.47619048 25 5.794803705
0.283333333 0.15 0.129166667 0.125 0.125 0.127016129 0.133481646 0.143039591 0.154074074 0.166956522 0.186956522 0.211111111 0.236111111 0.267857143 0.324675325 0.404040404 0.507936508 0.619047619 1.5
obteniendo un valor de:
Conociendo podemos sustituir en en las ecuaciones ecuaciones anteriores para calcular calcular las dos zonas de contacto dentro de la torre con un valor de 2.162 m:
Con los valores de
y
= 2.5.176294 = 0.0.33731731
si Z=suma de
se calculan los coeficientes de transferencia de masa para la fase
gaseosa y para la fase liquida.
Calculo de
´
y G’ G’
0.3
Trabajamos a un reflujo de , sin embargo, la temperatura del reflujo es menor que la del punto de ebullición de nuestra mezcla, de manera que entra como líquido subenfriado y debe hacerse una corrección del flujo, de la siguiente manera: Como necesitábamos calor trabajaremos con los Cp y calor latente de vaporización de la mezcla:
=0.68 ° =1.05 ° =0.2 =0.8
Obteniendo el Cp de la mezcla
= ∗ + ∗ =0.2∗1.05+0.68∗0.8=0.754 ° =754 °
El calor latente de vaporización se obtuvo de la literatura con un valor de 2200 Cal/mol Masa molecular de la mezcla
= 0.0.84646 + 0.0.21818 =40.4 =0.0404 = + ∗ ∗ ∗ 0 0. . 3 754 ∗0. 0 404 ∗ 7 76° 6° 70° ° = 0.3 + 2200
Para obtener el flujo corregido se usa la siguiente ecuación:
Sustituyendo valores
= 0.0.33249249
Por lo cual podemos calcular la masa velocidad de la torre para el liquido
´ =
Dónde Q es el flujo volumétrico es la densidad de la mezcla
A es el área de flujo Teniendo el flujo corregido con este podemos trabajar para encontrar los parámetros que necesitamos. Área de flujo
= 4
El diámetro de la torre parte superior es de 0.127 m
= 00..11427 = 0.0. 0126 0 1 26 47 0169 = 4 = 0.0.0169 0. 0 0006309 − 0.3 1 = 1.8927927 1010
El diámetro de la torre parte inferior es de 0.147 m
Flujo volumétrico en unidades correspondientes es:
La masa velocidad será entonces: Parte superior:
∗ 783.492 3 − 1. 8 927 10 ´ = 0.0126 =1.1769 = í,, //
1.8927 10− = = 0.0126, //=0.0015
=1.1769 ∗ 1.10811 3 =1.062 − 1. 8 927 10 ´ = 0.0169 ∗781.646 3 =0.8753 − = 1.89270.016910 =0.0011 1 981 3 =0.7305 =0.8753 ∗ 1.1981
Parte inferior:
Para fines de este reporte L’ y G’ serán tomados de la misma magnitud, habiendo echo la
anterior consideración calculamos los coeficientes de transferencia de masa en la fase liquida y gaseosa, el área específica de contacto es de 250 Coeficientes parte superior: Fase liquida:
:
´ = 0.0.3219 321.191769 ∗250250 =0.01462 1462 ´ =0.01261 ´ = 0.37311.1769 ∗250 250
Fase gaseosa:
Coeficientes parte inferior:
Fase liquida:
1087 ´ = 0.32190.8753 753 ∗250 =0.01087
Fase gaseosa:
0.8753 ´ = 0.3731 ∗ 250 250 =0.00938 0938
Coeficientes de transferencia de masa teóricos a partir del modelo de rocha.
Primero deben calcularse ciertos parámetros que son necesarios para poder utilizar dicho modelo.
Área superficial específica.
2 + 4ℎ √ √ = ℎ ℎ== ó , 0. 0 241 24 1 ó, 0.0119 = 2 0.0.00.2410241241+40.01190.0119 =236.208 / = 3 == í í,, //
En donde:
Espesor de la lámina
En donde:
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