preparación práctica - destilacion
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
ÁREA DE OPERACIONES UNITARIAS
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 2
CATEDRÁTICO: ING. MANUEL GALVÁN
AUX. LEDA GÓMEZ MONTENEGRO
PREPARACIÓN - PRÁCTICA “DESTILACIÓN”
SECCIÓN: SÁBADO DE 10:50 A 14:40
ADRIANA SOFIA MENÉNDEZ 200860028
SERGIO GARCÍA BARAHONA 200915022
BRENDA MONTERROS WAIGHT 200915024
PABLO ARGOTE NAJERA 200915025
JOSE RODRIGUEZ RECINOS 200915246
ROCIO LIRA LETRAN 200915362
GUATEMALA, 23 DE MARZO DE 2012
1
B
2
Índice 1. GLOSARIO PRELIMINAR............................................................................4
2. ÍNDICE DEL MARCO TEÓRICO DEL INFORME DE REALIZACIÓN..........6
3. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA...................................................................7
4. DISEÑO EXPERIMENTAL...............................................................................8
4.1. Descripción Del Problema.........................................................................8
4.2. Definición De Objetivos De La Práctica.....................................................8
4.3. Preguntas Referentes Al Tema De Estudio (Según Objetivos).................9
4.4. Justificación.............................................................................................10
4.5. Descripción De Variables Independientes y dependientes.....................11
4.6. Número De Repeticiones........................................................................11
4.7. Planteamiento De Las Hipótesis..............................................................12
4.7.1 Hipótesis científica.............................................................................12
4.7.2 Hipótesis estadística..........................................................................12
5. DIAGRAMA DE EQUIPO A MANO................................................................14
5.6. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL...............................15
7. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.......................................19
8. TABLAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.....................................................26
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS …………………………………………….28
3
1. GLOSARIO PRELIMINAR
Azeótropo: Es una mezcla líquida de dos o más
componentes que poseen un único
punto de ebullición constante y, que al
pasar al estado vapor, se comporta
como un líquido puro.
Calor latente: El calor latente es la energía interna
asociada con la fase de un sistema.
Condensación: Es el proceso por el cual una sustancia
cambia de fase vapor o gas a estado
líquido.
Evaporación: Proceso por el que una sustancia pasa
de fase líquida a vapor.
Temperatura de rocío: Es la temperatura a la que empieza a
condensarse una sustancia contenida
en el aire, produciendo rocío.
Transferencia de masa: Ciencia que analiza el movimiento de
materia en una o varias direcciones
bajo la acción de una fuerza impulsora.
Transferencia de calor: Ciencia que se ocupa de la
determinación de las razones que
causan la transferencia de energía de
un sistema a otro como resultado de la
diferencia de temperatura.
Plato teórico: La unidad de la columna que tiene la
misma eficacia en la separación que
una destilación simple y se expresa a
4
menudo en centímetros de altura de la
columna.
Presión de vapor: Es la presión establecida en el sistema
cuando el líquido se halla en equilibrio
con su vapor.
Punto de burbuja: Temperatura a la cual se forma la
primera burbuja de gas de un material
líquido.
Volatilidad: Es una medida de la facilidad con que
una sustancia se evapora.
5
2. ÍNDICE DEL MARCO TEÓRICO DEL INFORME DE REALIZACIÓN
1. Destilación 1
1.1.Aplicaciones 2
1.2.Funcionamiento 2
1.3.Métodos simples de destilación 2
1.3.1. Destilación flash 3
1.3.2. Destilación continua con reflujo 3
1.3.2.1. Método de McCabe-Thiele3
1.3.2.1.1. Sección de enriquecimiento 3
1.3.2.1.2. Sección de empobrecimiento 3
1.3.2.1.3. Condiciones de alimentación 3
1.3.2.1.4. Localización de plato de alimentación y número de
platos 3
1.4.Fenómenos de transferencia de masa y calor 5
6
3. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA
I. Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la
torre para cada resistencia eléctrica.
II. Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor
en cada plato para cada resistencia eléctrica.
III. Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada y
salida de la torre y el flujo de vapor para cada resistencia.
7
4. DISEÑO EXPERIMIENTAL
4.1.Descripción del problema
Determinar a partir de datos experimentales, las variables que representan
el fenómeno de destilación a través de una solución acuosa de etanol en una
torre de rectificación de 8 platos tipo burbuja.
El vapor que alimenta a la caldera es generado en el calderín, que es calentado
por resistencias de inmersión. El vapor asciende a través de la torre y es
condensado totalmente en un condensador enfriado con agua y retorna al
primer plato de la torre en condiciones de reflujo total.
Se leen las temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento en el
condensador, la temperatura del vapor que entra al condensador, y de entrada
y salida en cada plato de la torre; el flujo másico del agua de enfriamiento y la
densidad de cada plato. A partir de estos datos, se calcula la eficiencia global y
de murphree, para evaluar la relación de estas y la variación de la temperatura
mediante una gráfica con el flujo de vapor que asciende en la torre.
4.2.Definición de objetivos de la práctica
I. Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la
torre de destilación a reflujo total, para cada resistencia eléctrica.
Utilizando el método de McCabe-Thiele, se calculan los platos teóricos de la
torre para cada resistencia y se comparan con los platos reales para obtener
la eficiencia global de la torre; y a partir de los datos experimentales del flujo
de masa del agua del condensador y sus temperaturas de entrada y salida;
se obtiene el cambio de entalpía y el calor latente de vaporización para
determinar el flujo de vapor para cada resistencia.
8
II. Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor
en cada plato para cada resistencia eléctrica. Se calculan las fracciones
molares de vapor del etanol a partir de las fracciones molares del líquido,
obtenidas por los datos experimentales de las densidades de las mezclas
etanol–agua, al conocer las relaciones de flujos al operar la torre de
destilación como reflujo total. Además se obtienen las fracciones molares de
vapor en equilibrio del etanol y a partir de estos datos se calcula la eficiencia
de Murphree en cada plato para cada resistencia.
III. Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada
y salida de la torre y el flujo de vapor de cada resistencia. Se realiza
una gráfica de la diferencia de temperaturas de entrada y salida de la torre
en función del flujo de vapor de cada resistencia trabajada, y se obtiene un
modelo matemático para determinar la influencia del flujo de vapor en la
variación de las temperaturas de la torre.
4.3.Preguntas referentes al tema de estudio
I. ¿Para qué se utiliza el método de McCabe-Thiele?
Es un método gráfico que se utiliza para calcular los platos teóricos de
una torre de destilación, al graficar las líneas de operación y curvas de
equilibrio como las fracciones molares de vapor en función de las
fracciones del líquido del componente más volátil de la mezcla.
II. ¿Qué es la eficiencia global?
Es la relación entre el número de platos teóricos y platos reales de una
torre.
9
III. ¿Qué es reflujo total?
Es la corriente del líquido condensando, a partir del vapor que asciende
en la torre, que retorna en su totalidad al plato superior de la zona de
rectificación.
IV. ¿Qué es la eficiencia de Murphree?
Es la relación entre la variación de la composición del vapor que pasa de
un plato a otro y la variación de la composición del vapor, si el vapor que
sale se encuentra en equilibrio con el líquido que sale.
10
4.4.Justificación
En esta práctica de laboratorio, la destilación se puede llevar a cabo según
dos métodos principales. El primer método se basa en al producción de
vapor mediante le ebullición de la mezcla liquida que se desea separar y
condensación de los vapores sin permitir que el liquido retorne al calderín.
Es decir, no hay reflujo. El segundo método se basa en el retorno de una
parte del condensado a la columna, en una condiciones tales que l liquido
que retorna se pone en íntimo contacto con los vapores que ascienden hacia
el condensador. Cualquiera de los dos métodos puede realizarse de forma
continua o por cargas.
La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y
condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en
líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes
puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las
sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada
sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí
en función de la presión. Se clasifica en destilación flash ya que es un
estado estacionario, en donde se incluye la vaporización parcial en una sola
etapa sin reflujo. La destilación por cargas que es un proceso de destilación
en estado no estacionario y sus cálculos son demasiados complicados
comparados con destilación continua.
11
4.5.Descripción de variables dependientes e independientes
Tabla 1. Descripción de variables involucradas
No Variable Dimensional Factor potencial de diseño
Factores perturbadores
Constantes Variables Controlables De ruido1. Medidor
seleccionado
X
2. Flujo másico de agua
Kg/s X
3. Presión del equipo
Psi X
4. Temperatura del fluido de
entrada
oC X
5. Temperatura ambiente
oC X
6. Presión atmosférica
Atm X
7. Temperatura del fluido de
salida
°C X
Tabla 2. Descripción de variables a manipular
No. Variable Dimensional1 Flujo másico de
aguaUnidad de rotámetro
12
4.6.Número de repeticiones
Debido a los costos de operación y el tiempo de realización, no se realizaran
repetición.
4.7.Planteamiento de las hipótesis
4.7.1. Hipótesis científica
En el equipo de destilación instalado en el laboratorio de operaciones
unitarias es posible: Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo
de vapor de la torre para cada resistencia eléctrica; determinar la relación
entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor en cada plato para cada
resistencia eléctrica; encontrar la relación de la variación entre las
temperaturas de entrada y salida de la torre y el flujo de vapor para cada
resistencia; y los errores experimentales se pueden analizar por análisis de
incertidumbre para evaluar su incidencia en los resultados.
4.7.2. Hipótesis estadística
4.7.2.1. Hipótesis nula
a) La eficiencia global de la torre no está relacionada con el flujo de vapor.
b) La eficiencia de Murphree no es proporcional al flujo de vapor en cada
plato de la torre de destilación.
c) La relación entre la variación de temperaturas y flujo de vapor no
presenta ninguna tendencia.
13
d) La relación de reflujo total en función del flujo de vapor en la columna es
directamente proporcional.
4.7.2.2. Hipótesis Alternativa
a) La eficiencia global de la torre está relacionada con el flujo de vapor.
b) La eficiencia de Murphree es proporcional al flujo de vapor en cada plato
de la torre de destilación.
c) La relación entre la variación de temperaturas y flujo de vapor presenta
una tendencia.
d) La relación de reflujo total en función del flujo de vapor en la columna no
es directamente proporcional.
14
5. DIAGRAMA DE EQUIPO A MANO
15
6. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Inicio
Revisar válvulas del equipo, que se encuentren cerradas.
Colocar muestra acuosa de etanol al 10%
Abrir válvula de entrada y salida
del agua
Corroborar el
buen estado del
equipo
Verificar que los termómetros
estén colocados
Fijar caudal de agua
Establecer la resistencia de menor
potencia con la que se va a
trabajar
A
Tomar temperaturas de cada
etapa de la torre
B
16
A
Tomar muestra de cada etapa y
medir densidades
Cerrar válvula de recirculación
Tomar una muestra de
condensado y medir la densidad
Abrir válvula de recirculación
Variar resistencias del tablero
eléctrico
B
Variaciones
= 4
Si
No
Desconectar las resistencias
Cerrar válvulas de circulación de
agua
C
17
Limpiar el área de trabajo
FIN
A
Tabla No. ##
Nomenclatura para diagrama de flujo del procedimiento de la práctica
Símbolo Descripción
Inicio o fin
Proceso
Condiciones de proceso
Toma de Decisión
Conector fuera de pagina
Fuente: Diagrama del procedimiento experimental humidificador, Laboratorio de
Operaciones Unitarias, USAC
18
7. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
7.1.Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la
torre de destilación a reflujo total, para cada resistencia eléctrica.
Inicio
𝑉= ∆𝐻𝑎 ∙𝑚ሶ𝑎 𝜆𝑚 𝐸𝑐.𝑛𝑜.2
Cálculo de Flujo de Vapor:
𝑚ሶ𝑎, 𝜆𝑚
∆𝐻𝑎 = 𝑓ሺ𝑇ሻ 𝐸𝑐.𝑛𝑜.1 Cálculo de Entalpía: 𝑇𝑖,𝑇𝑗
Método McCabe-Thiele para Platos teóricos
y
x
𝑦∗,𝑥∗
𝜀𝐺 = 𝑃𝑡𝑃𝑅 𝐸𝑐.𝑛𝑜.3
Cálculo de Eficiencia Global
𝑃𝑅
A
19
Finalizar
A
Gráfica de eficiencia global en función del flujo de vapor
𝜀𝐺
V
20
7.2.Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor
en cada plato para cada resistencia eléctrica.
I.
Inicio
Cálculo de Flujo de Vapor 𝑉 por Ec. no.2
𝑁𝐸 = 𝑣% ∙𝑣∙𝜌𝐸𝑃𝑀𝐸 𝐸𝑐.𝑛𝑜.5
Cálculo de número de moles de etanol
𝑁𝑎 = (1− 𝑣%) ∙𝑣∙𝜌𝑎𝑃𝑀𝑎 𝐸𝑐.𝑛𝑜.6
Cálculo de número de moles de agua
𝑣 𝜌𝐸,𝑃𝑀𝐸
𝑣% = 𝑓ሺ𝜌𝑚ሻ 𝐸𝑐.𝑛𝑜.4
Cálculo del porcentaje v/v % de etanol
𝑣 𝜌𝑎,𝑃𝑀𝑎
𝑥𝐸 𝑛 = 𝑁𝐸𝑁𝑎 + 𝑁𝐸 𝐸𝑐.𝑛𝑜.7
Cálculo de Fracción molar de etanol del líquido que sale del plato
B
21
7.3.Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada
y salida de la torre y el flujo de vapor para cada resistencia.
22
Inicio
Cálculo de la diferencia de
temperaturas entre el inicio y el
final de la torre
∆ tV=t0−t f Ec .no .12
t 0 ,t f
Cálculo de Flujo de
Vapor V por Ec. no.2
Gráfica de la diferencia de
temperaturas entre el inicio y final de
la torre en función del flujo de vapor∆ tV
V
Finalizar
Tabla no. 4-Descripción de variables en la ecuaciones de cálculo
Ec. no. Variables de la Ecuación Referencia
1
∆ H a=Diferenciadeentalpías del aguaenel intercambiador [kj /kg ]
T i=Temperaturade entradadel aguaal intercambiador [° C ]
T j=Temperatura desalida del aguaal intercambiador [°C ]
Ref. no.1
2
V=Flujo deVapor en la torre [kg/ s]
∆ H a=Diferenciadeentalpías del aguaenel intercambiador [kj /kg ]
ma=Flujomásico deaguaenel intercambiador [kg /s ]
λm=Calor de vaporizaciónde lamezcla etanol−agua[kj /kg ]
Ref. no.1
3
εG=Eficiencia globalde latorre
Pt=Númerode platos teórcios de la torre
PR=Númerode platosreales de la torre
Ref. no.2
pág. No.689
4v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]
ρm=Densidad de lamuestra [ g/mL ]
Ref. no.4
cap. 2,
pág.112
5
N E=Númerode molesde etanol[mol ]
v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]
v=volumen de lamuestra [mL ]
PM E=Peso molecular del etanol [g /mol]
ρE=Densidad del etanol [g /mL]
Ref. no.4
cap. 2,
pág.112
6
Na=Númerodemoles deagua [mol ]
v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]
v=volumen de lamuestra [mL ]
PM a=Pesomolecular del agua[g /mol]
ρa=Densidad del agua[ g/mL ]
Ref. no.4
cap. 2,
pág.112
7
xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquidoen el platon
N E=Númerode molesde etanol[mol ]
Na=Númerodemoles deagua [mol ]
Ref. no.2
pág. No.646
23
8y En+1=fracciónmolar de etanol enel vapor entrandoal platon
xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquido saliendodel platon
Ref. no.2
pág. No.666
9y En=fracciónmolar deetanol enel vapor saliendodel platon
xE n−1=Fracciónmolar de etanol enel líquidoentrandoal platon
Ref. no.2
pág. No.666
10y En
¿ =fracciónmolar deetanol enequilibrioenel vapor saliento d el platon
xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquido saliendodel platon
Ref. no.2
pág. No.666
11
εM=EficienciadeMurphree
y En=fracciónmolar deetanol enel vapor saliendodel platon
y En¿ =fracciónmolar deetanol enequilibrioenel vapor saliento del platon
y En+1=fracciónmolar de etanol enel vapor entrandoal platon
Ref. no.2
pág. No.689
12
∆T V=Diferenciade Temperaturasen funcióndel flujode vapor [° C ]
T 0=Temperaturaen la parte baja de latorre [°C ]
T f=Temperaturaen la parte altade latorre [°C ]
-
Fuente: Referencia no. 1, 2 y 4 , Diagrama de Procedimiento de Cálculo
24
8. TABLAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
8.1 Tabla No. 5 – Datos de temperatura, volumen y masa de cada muestra de
condensado y platos de 1 a 5, para cada variación de potencia.
MuestraP
(kW )T
(° C)V
(mL)m(g)
Condensado
7
6
5
4
Plato 1
7
6
5
4
Plato 2
7
6
5
4
Plato 3
7
6
5
4
Plato 4
7
6
5
4
25
Plato 5
7
6
5
4
8.2 Tabla No. 6 – Datos de temperatura, volumen y masa de cada muestra de
plato 6 ,7 y calderin, para cada variación de potencia.
MuestraP
(kW )T
(° C)V
(mL)m(g)
Plato 6
7
6
5
4
Plato 7
7
6
5
4
Calderin
7
6
5
4
8.3 Tabla No. 7 - Valores de incertezas de instrumentos utilizados
δP(kW )
δT(°C)
δV(mL)
δm(g)
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9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
I. CENGEL, Yunus A. “Termodinámica”. Sexta Edición. McGraw Hill. México,
2009. Apéndice 1
II. McCABE, Warren L., et. al. “Unit Operations of Chemical
Engineering”. Sexta edición, et. al McGraw Hill. España 2000. Capítulo 23,
Págs. No. 645-698.
III. GEANKOPLIS, CHRISTIE J. “Procesos de transporte y operaciones
unitarias”. Tercera edición, CIA. Editorial continental, México 1998,
Págs.717-735.
IV. PERRY, Robert H. y GREEN, Don W. "Manual del Ingeniero Químico"
Volumen 1. Séptima edición. McGraw Hill: España 2001.Capítulo 2, págs.
no. y Capitulo 13, págs. no.12, 27-34
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