Trabajo Monografico de Destilador Batch

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE  

 TEMA: TRABAJO MONOGRAFICO DE DESTILADOR BACTH CON RECTIFICACION

CURSO: INGENIERIA DE OPERACIONES

UNITARIAS III DOCENTE: ING. MORALES MIRANDA Milton INTEGRANTES:

 

FLORES NAVARRO, Nilda

 

GUTIERREZ QUILCA, Y!!i"a Ma#$ot

 

VARGAS SEDANO, Ni"ola!

 

I.INTRODUCCION El presente trabajo monográfico consta acerca de la maqueta de destilador batch con rectificación, cuyo objetivo es conocer el diseño haciendo una simulación para de tal manera familiarizarnos con el equipo de destilador y comprender el proceso que realiza este durante su funcionamiento. La destilación es una operación unitaria que tiene por objetivo separar, separar, mediante vaporizació vaporización, n, unase mezcla miscibles y volátiles en sus de componentes. componentes . Esta separación basa de en lquidos aprovechar las distintas presiones vapor de los componentes de la mezcla a una cierta temperatura. El proceso de destilación es una de las operaciones unitarias más importantes en la industria alimentaria, como es el caso de las industrias alcohólicas entre otras. !uando e"iste interacción entre las fases lquido y vapor, la destilación recibe el nombre de rectificación. En caso que no se presente esta interacción, se le denomina destilación simple. En la rectificación, al interaccionar las fases, la gaseosa gase osa va enriquec enriqueci#nd i#ndose ose en el componen componente te más volátil, volátil, mientras que la liquida lo hace en el más pesado.

II.

OBJETIVOS.

 $am $amili iliari arizar zarnos nos con el eq equip uipo o de de desti stilad lador or batch batch con recti rectific ficaci ación ón

realizando un diseño de simulación.  Estudiar la destilación %ach con rectificación para la mezcla de etanol agua, en la condición de reflujo constante.  &eterminar el n'mero de etapas ideales que representan a la operación de la columna, balance de materia diferencial y balance de energa.

 

III. MARCO TEORIC TEORICO O III III.1. .1. Def Defini inicio ciones. nes. Destilador.- consiste en separar por obra del calor una sustancia volátil de otras más fijas. Luego de calentarla se enfra el vapor, para reducirlo otra vez al estado lquido, esto se conoce como destilación simple simple,, donde la solución está integrada integrada por una o más sustancias sustancias solidas disueltas disueltas en un lquido. ()*

a a!s a!sorci orci"n "n.+ de ga gase ses s es un una a op oper erac ació ión n un unit itar aria ia po porr la qu que e lo los s componentes solubles solubles (absorbatos* de una mezcla gaseosa se disuelven en un lquido. La operación inversa, denominada desorción, desabsorción o agotamiento, consiste en la transferencia a un gas de los componentes (solu (so lutos tos** vol voláti átile les s de una mez mezcla cla lq lquid uida. a. ar ara a con conseg seguir uir el con contac tacto to ntimo de las fases, lquido y gas, ambas operaciones utilizan el mismo tipo ti po de eq equi uipo po qu que e la re rect ctif ific icac ació ión n qu que e es la se sepa para raci ción ón de lo los s consti con stituy tuyent entes es de un una a mez mezcla cla lq lquid uida a po porr de desti stilac lacion iones es suc sucesi esivas vas (vapor (va poriza izacio ciones nes

parcia par ciale les s

y

conden con densac sacion iones* es*.. La

destil des tilaci ación ón es

la

separa sep araci ción ón de los con consti stituy tuyent entes es de una mez mezcla cla lq lquid uida a me media diante nte la vaporización parcial de la mezcla y la recuperación, por separado, del vapor y el residuo lquido. ()* lquido. ()*

III.#. Ti$o Ti$oss de $latos $latos%% A. &la &latos tos con fl' fl'(o (o cr') cr')ado ado.. La mayora de los platos de flujo cruzado utilizan perforaciones para la dispersión del gas en el lquido. Estas perforaciones pueden ser  simples orificios circulares, o pueden disponer de -válvulas móviles que configuran orificios variables de forma no circular. Estos platos perforados se denominan platos de malla o platos de válvula. En los prim pr imer eros os,, de debe be ev evit itar arse se qu que e el l lqu quid ido o fl fluy uya a a tr trav av#s #s de la las s perforaciones aprovechando para ello la acción del gas/ cuando el flujo de gas es lento, es posible que parte o todo el lquido drene a trav#s de las perforaciones y se salte porciones importantes de la zona de contacto. El plato de válvula está diseñado para minimizar  este drenaje, o goteo, ya que la válvula tiende a cerrarse a medida que el flujo de gas se hace más lento, por lo que el área total del orificio vara para mantener el balance de presión dinámica a trav#s del plato, tomando como mejor dato la cantidad. ()*

B. &la &latos tos en con contrac tracorri orrient ente. e. En es esto tos, s, el l lqu quid ido o y el ga gas s fl fluy uyen en a tr trav av#s #s de la las s mi mism smas as aberturas. or ello, no disponen de bajantes. Las aberturas suelen ser simples perforaciones circulares de diámetro comprendido de

 

entre 0 y )0 mm ()12 a 3 pulgadas* (p o de flujo doble* o hendiduras largas de anchura entre 4 y )0 mm ()12 a )15 pulgadas* (bandeja 6urbogr 6ur bogrid*. id*. El mate material rial del plat plato o pued puede e pleg plegarse arse o -cor -corruga rugarse rse (band (ba ndeja eja 7ip 7ipple ple** pa para ra sep separa ararr par parcia cialme lmente nte lo los s flu flujo jos s de ga gas s y lquido. En general, el gas y el lquido fluyen en forma pulsante, alternándose en el paso a trav#s de cada abertura. ara el contacto de gases con lquidos que contienen sólidos se utiliza frecuentemente el denominado plato deflector o -placa de dispersión (fig. 2*. 8ormalmente tiene forma de media luna y una ligera inclinación en el sentido de flujo del lquido. El gas se pone en contacto con el lquido que se derrama del plato y cae al interior, pudi#ndose utilizar en el borde del plato una esclusa o rebosadero, que pue puede de ll lleva evarr fil filo o den dentad tado, o, par para a mej mejora orarr la dis distri tribuc bución ión de dell lquido descendente descendente.. En el plato deflector, el lquido act'a como fase dispersa y el gas como fase continua/ se utiliza principalmente en aplicaciones con transferencia calor. III.*. Ca$acid Ca$acidad ad de 'nade col col'+na '+na(0* de $lat $latos. os. La má"ima capacidad de un plato para el manejo de los fluidos de gas y de lquido tiene gran importancia, porque determina el mnimo diámetro posible en la columna. ara un caudal de lquido constante, el aumento de la velocidad del gas produce arrastre e"cesivo e inundación. En el punto de inundación es difcil obtener un descenso neto del lquido y cualquier cantidad añadida a la columna será arrastrada por el gas de cabeza. 6ambi#n se puede llegar a inundación aumentando la velocidad de lquido mientras se mantiene la del gas constante. El caudal e"cesivo de l lqu quid ido o pu pued ede e so sobr brep epas asar ar la ca capa paci cida dad d de lo los s ba baja jant ntes es u ot otro ros s conductos, con el resultado de un aumento de del contenido del lquido, mayor cada de presión y demás caractersticas propias de la condición de inundación. La mnima capacidad admisible de una columna de platos está determinada por la necesidad de obtener una dispersión eficaz y un buen contacto entre las fases. Los distintos tipos de platos difieren en su capacidad para admitir caudales bajos de gas y de lquido. 9n plato de malla con flujo cruzado puede actuar con un caudal gas reducido hasta un punto en qu que e el lq lquid uido o dre drena na a tra trav#s v#s de las perforac perforacio iones nes y la dispersión del gas es inadecuada para obtener una buena eficacia. Los platos de válvulas pueden operar con caudales de gas muy bajos, gracias al cierre de las válvulas. ara todos los dispositivos e"iste un caudal

 

mnimo de gas por debajo del cual se produce una dispersión inadecuada para obtener el contacto ntimo entre fases. ()*

III.,. Acci"n de 'n $lato ideal. En un plato ideal, por definición, el lquido y el vapor que salen del plato se encuentran en equilibrio. !onsidere en solo plato en una columna en una cascada de platos ideales, tal como el plato n. :uponga que los platos se enumeran en serie desde la parte superior (destilado* hasta la parte inferior (residuo* de la columna y que el plato que se considera es el n'me n' mero ro n pa part rtie iend ndo o de desd sde e la pa part rte e su supe peri rior or.. o orr lo ta tant nto, o, el pl plat ato o inmediatamente inmediatame nte superior es el plato n+) y el inmediatamente inferior es el plato n;). Los subndices representan en todos los casos el punto de orig or igen en de la ma magn gnit itud ud co corr rres espo pond ndie ient nte. e. En el pl plat ato o n en entra tran n do dos s corrientes de fluido y salen otras dos. 9na corriente de lquido Ln+) mol1h, procedente del plato n+) y una corriente de vapor lo larg largo o de la colu column mna a hay hay una una variación continua de la concentración de la mezcla. El vapor se concentra en el componente más volátil a medida que asciende y el lquido se concentra en el menos volátil al descender. ()*

III.0.,. III.0. ,. Rectific Rectificaci"n aci"n co contin5 ntin5aa de +e)c +e)clas las !inar !inarias. ias. En todo proceso de destilación el vapor que se forma en el calderin es más rico en el componente volátil que el lquido que queda en #l. :in embargo el vapor contiene cantidades de ambos componentes, y el destilado raramente es una sustancia pura. ara aumentar la concentración del componente más volátil en el vapor, y separar el meno me nos s volá voláti till de esta esta,, el vapo vaporr se pone pone en cont contac acto to con con una una corr corrie ient nte e desc descen ende dent nte e de l lqu quid ido o de alta alta conc concen entra traci ción ón del del componente volátil, que se denomina reflujo. Los componentes más volátiles se concentran en la fase vapor, y los menos volátiles en la fase liquida. La separación que se logra de la mezcla, entre el producto superior  y el infe inferi rior or,, depe depend nde e de las las vo vola lati tili lida dade des s rela relati tiva vas s de los los componentes, el n'mero de etapas de contacto y de la razón de reflujo (2*

 

III. III.0. 0.,. ,.1. 1.

C6 C6lc lc'l 'lo o de n5 n5+e +ero ro de $l $lat atos os=

Es el diseño de las unidades necesarias que proporcionen un fraccion frac cionamie amiento nto dado dado.. Es necesari necesario o desarroll desarrollar ar un modelo modelo mate ma temá máti tico co que que perm permit ita a ca calc lcul ular ar el n'me n'mero ro de plat platos os necesari nece sarios. os.

Gtros factores factores fundamen fundamentales tales en el diseño diseño de

un una a unida unidad d de destil destilaci ación ón son. son. Entre Entre otr otros. os. El n'mero n'mero de plat platos os,, el diám diámet etro ro de la co colu lumn mna, a, el ca calo lorr que que debe debe sumi sumini nist stra rars rse e al calde calderi rin n y el

que que debe debe retira retirars rse e en el

condensador. El análisis de funcionamiento de las columnas de los platos se basa en el planteamiento y resolución de los balances de materia y energa.

 

!ada plato consta de una placa que posee un orificio central o chim himene enea

a

tra trav#s

del

cual

as asci cie enden den

los

va vapo pore res s

procedentes del plato inferior. Este orificio que da cubierto por  una campana o -sombrerete con un cierto de hendiduras hendiduras que permiten la salida de los vapores y su contacto con el lquido contenido en ese plato. (2*

Relaci"n de refl'(o  >si :e llama as a la relación entre el caudal del lquido que se devuelve a la columna como reflujo y el que se e"trae como destilado. :e e"presa por la razón L1< (razón de reflujo interna* o como L1& (razón de reflujo e"terna*. La columna rectifica gracias al reflujo que permite el enriquecimiento del vapor que asciende. Es lógico que al aumentar la relación de reflujo sea mayor el contacto y más fácil la separación. (2*

Refl'(o total !uando todos los vapores desprendidos en la cabeza de la column col umna a se conde condensa nsan n y se de devue vuelve lven n a la misma misma como como reflujo, de modo que no se e"trae destilado, se dice que la columna opera bajo reflujo total.

III. III.0. 0.,. ,.##.

Mode delo lo +a +atte+ e+6t 6tic ico% o% ara realizar el planteamiento del modelo matemático se supondrá que la columna se halla perfectamente aislada, con lo qu que e las las p#rdi p#rdidas das de calor calor ha hacia cia el e"teri e"terior or se consid con sidera eran n nulas. nulas. >demá >demás, s, se consid considera eran n un si siste stema ma ideal en el que el calor calor de mezcla mezcla es cero. cero. Los balances balances se apli aplica can n a una una colu column mna a de rect rectif ific icac ació ión n como como la mostra mos trada da en la fig figura ura 5A.H. 5A.H. El model modelo o matemá matemátic tico o se obtendrá al realizar los balances en los distintos partes de la columna. >demás, se utilizaran unidades molares, que facilitan facil itan los cálculos cálculos de problema problemas s de destilaci destilación. ón. Las entalpias de las corrientes de vapor se representaran por  I, mi mien entra tras s que que las las de l lqu quid ido o por por h. las las dife difere rent ntes es

 

compo com posic sicio iones nes y varia variable bles s llevan llevan el subnd subndice ice de las corrientes correspondientes. (2*

a3 Bala Balance nce / /lo! lo!al al a tod todaa la col'+na col'+na Los balances molares global y de componente, as como global de energa permiten obtener. %alance global=  A = D + R  Ax  A = Dx D + Rx R

%alance componente volátil= %alance de energa=  Ah A + Q R = D h D + Rh R + Q D En las que >, & y 7 y 7 son las corrientes molares de alimento, destilado y residuo, respectivamente. respectivamente.

!3 Bal Balan ance ce en el ccon onde densa nsado dorr Los balances realizados en condensador son=

V  D = L D + D V  D +  y D = L D x D + D X  D :i la condensación es total se cumple que

Y  D = x D

V   H  =  L + D h + Q  D

 D

(

 D

)

 D

 D

El calor que se elimina en el condensador es=

Q D =V  D H  D −(  L L D + D ) h D =V  D ( H  D −h D ) Jue en el caso que que el vapor que entra entra al condensad condensador  or 

V  D se halle halle en su punto punto de roció, roció, las entalp entalpia ias s de vapor

 H  D  y del lquido

h D se hallan en su punto de

saturación, cumpli#ndose cumpli#ndose que=

 H  D −h D =⋋c , que es el calor latente de condensación de la mezcla del vapor que llega al condensador. or  tanto, la cantidad de calor eliminado en el condensador  será=

Q D =⋋c V  D

c3 Bal Balan ance ce een n llaa ccald aldera era%%  >l realizar los balances balances de materia materia se obtienen= obtienen=

 L I + Rx V  R

 

 Li h D + Q R= R h R + V  R H  R

III III.0. .0... A& A&ICA ICACION CIONES ES La desti stilaci lación ón se apli lica ca en ca cas si to tod da la in ind dust stri ria a qum qumiica ca.. Iistó Iistóric ricame amente nte,, el gran gran inter inter#s #s en la destil destilaci ación ón provie proviene ne de la indust ind ustria ria del petról petróleo eo pa para ra ob obten tener er el combu combusti stible ble qu que e usamos usamos ha habit bitua ualme lmente nte,, o tan tantos tos otros otros deriva derivado dos s como como los los plásti plásticos cos.. La destilación del m#todo KbatchK se utiliza en la industria pequeña y mediana medi ana +farmac#u +farmac#utica, tica, alimenti alimenticia/ cia/ de transisto transistores, res, por citar unos pocos ejemplos.  :eparación del aceite y he"ano en e"tracción de aceite reflujo  &esodorzacio &esodorzacion n del aceite  $raccionamie $raccionamiento nto del petróleo  Bndustria alimenticia  Bndustria alcoholera  Bndustria farmac#utic f armac#utica a  Bndustria de qumica fina f ina (aditiva, aromatizante*

II III.0 I.0.0. .0. 7U 7UNC NCIO ION N La mezcla liquida liquida que será procesad procesada a es conocida conocida como flujo flujo de alimentación y este es introducido usualmente en un lugar cercano a la parte central de la columna en un plato conocido como plato de ali alimen mentac tación ión.. El plato plato de ali alimen mentac tación ión divid divide e la column columna a en dos secciones= una superior (de enriquecimiento o rectificación* y una inferior (de empobrecimiento*. El flujo de alimentación desciende en la columna donde es recogido en la parte superior en el rehervidor. (@*

$igura ) parte inferior de columna de destilación :e suministra calor al ebullidor para generar vapor. La fuente de calor  pu puede ede ser un flu flujo jo ad adecu ecuado ado,, aunque aunque en la mayor mayora a de planta plantas s qumicas, #ste es normalmente vapor. En refineras, la fuente de calor puede ser los flujos de salida de otras columnas. El vapor se eleva en el re hervidor y es reintroducido dentro de la unidad en la

 

parte inferior de la columna. El lquido que se remueve del re hervidor  es conocido como producto de fondo o simplemente, simplemente, fondo. El vapor se eleva en la columna, y sale en la parte superior de la unidad, y es enfriado por el condensador. El lquido condensado es almacenado almacenad o en un contenedor conocido como tanque de reflujo. >lgo de este lquido es devuelto a la parte superior de la columna y es lo que se conoce como reflujo. El lquido condensado que removido del sistema es conocido como destilado o producto de cabeza. (4*

$igura 5 parte superior de columna de destilación

III III.0.8 .0.8.. EJE EJERCI RCICIOS CIOS.. &ro!le+a 91= 9na solución acuosa contiene un 0A  en peso de etanol. :e utiliza una destilación simple para recuperar el MA del alcohol contenido contenido en dicha disolución. disolución. &eterminar la composición composición de la solución residual. La Las s masas masas molecu molecular lares es del agua y etano etano son )M y 24 Dg1Dmo Dg1Dmol, l, respectivamente, por lo que una fracción másica inicia de A.0 se corresponde correspond e una fracción molar  x 0 C A,)22. El alcohol alcohol que permanece permanece en el calderin calderin en un tiempo determinado, determinado, es el que haba inicialmente menos que se ha destilado.    L x = L0 x 0 N   D x 0 = L0 x 0−0.8 L0  x 0=0,2 L0 x 0  >l sustituir en la la ecuación de rayleigh rayleigh se obtien obtiene= e=

(  )

 x 0

  x dx =∫ ln  y − x 0,2 x 0  x Esta ecuación ecuación permite permite calc calcular ular la composici composición ón en el calderin calderin.. :e supone un valor de ", se calcula calcula el valor del termino logartmico, y en segundo miembro de la igualdad se obtiene por integración grafica o num#rica. !uando los valores de estos dos t#rminos coincidan, el valor de " que lo cumple es el de la composición de lquido residual. &e los datos de equilibrio para el sistema etanol O agua es posible construir la tabla=

 

6abla= 5A.). &atos para la resolución de la ecuación de rayleigh. P

Q

ln

(  )   x 0,2 x 0

Bntegral

A,A) A.)A0 A,A0 A.50@ A.2AM A.044 A,A2 A.5HA A.05M A.055 A,A@ A.05@ A.@@5 A.5M@ A.)A A.222 ).52@ A.)54 :e observa que para "C A.A2 los dos t#rminos, el logartmico y el integral prácticamente coinciden, por lo que el valor buscando es precisamente este.  este. 

IV.MAT IV. MATERIAES ERIAES : M;TODOS IV IV.1 .1.. Materi Materiales% ales% Los materia materiales les que se ha utiliz utilizado ado pa para ra reali realizar zar la maquet maqueta a de un una a destiladora batch con rectificación fueron los siguientes=   >lambre 8R )4 )4  Iilo  !artones  lástico polietileno  lástico poli estireno  Sanguera

licate  6ijera  7egla de 4Acm.

IV IV.# .#.. M=tod M=todos% os% :e realizó la compra de materiales, mencionadas en el mercado de la pr prov ovin inci cia a de >co coba bamb mba a

para para la elab elabor orac ació ión n de la maqu maquet eta a que que

corresponde al destilador con platos del tipo t ipo batch con rectificación, a base de las revisiones bibliográficas se realizó el diseño de la siguiente forma=  :e realizó el corte del alambre a 4A cm, previsto para la columna, luego se enlazo formando una columna circular. poliestireno,, en fo form rma a ci circ rcul ular  ar   :e real realiz izó ó el cor corte te de de plás plásti tico co poliestireno previsto para los plastos apro"imadamente con un diámetro de )M cm,, lueg cm luego o se real realiz iza a los los aguj agujer eros os,, para para colo coloca carr a la colu column mna a diseñada.  6ambi#n se realizó el corte de alambre a 4A cm para la base de calentamiento y se enlazo a la columna. calentamiento  &espu#s de diseñar diseñar la maqueta, maqueta, se realizó realizó el forrado forrado

colocando

las las mang mangue uera ras s para para la alim alimen enta taci ción ón y sali salida da del del dest destil ilad ado, o, serpentn.

V. COC COCNC NCUSI USION. ON.

 

:e realizó el estudio con una simulación de un destilación %ach con rectificación para la mezcla de etanol agua, en la condición de reflujo constante y las etapas ideales que representan a la operación de la columna, balance de materia diferencial y balance de energa.

 

VI.

RE7ERENCIA BIBIO> O>RA RA7 7ICA ). I! I!ar ar)? )? A.  Bar! Bar!os osaa- Cano Cano22as? as? >.  op opera eracio ciones nes Uni Unitar tarias ias en la ingenieria de alimentos. Sadrid = Ediciones Sundi+rensa, 5AA@. 5.