ion continua. practica 2
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA
ARMADA NACIONAL.
UNEFA- NUCLEO ZULIA.
CATEDRA: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II.
GRUPO #09. METANOL-AGUA.
INTEGRANTES:
FLORES YAISFONSECA YORLIS
CERVANTES EDGARDO
SECCION: PQM-8A
PROFESORA: NORELIS BELLO
IX SEMESTRE DE ING PETROQUIMICA
MARACAIBO, 15 DE MAYO DE 2011.
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN……………………………………………………... Pág. 04-05
1. Fundamentos Teóricos…………………………………………………. Pág. 06-20
2. Descripción del Equipo………………………………………………….Pág. 21-22
3. Datos Experimental……………………………………………………… Pág. 23
4. Discusión de Resultados…………………………………………….…..Pág. 24
5. Conclusiones………………………..………………………………….....Pág. 25
6. Recomendaciones…………………………………………………………Pág. 26
7. Bibliografía………………………………………………………….……...Pág. 27
8. Apéndice…………………………………………………………………….Pág. 28
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INTRODUCCION.
La destilación es la operación de separación más antigua y la
operación unitaria más ampliamente utilizada en la industria. La destilación
utiliza un principio de separación muy simple: un contacto íntimo se da
entre la mezcla inicial y una segunda fase para mejorar una transferencia
de masa efectiva entre esas dos fases. Las condiciones termodinámicas
son escogidas de tal manera que el constituyente a ser separado de la
mezcla inicial pasa a la segunda fase. Las fases son separadas en dos
fases simples con diferentes composiciones. En este tipo de destilación
continua binaria se involucran tres etapas en la implementación de
cualquier proceso de separación:
• Creación de un sistema de dos fases.
• Transferencia de masa entre las fases.
• Separación de las fases.
En el siguiente informe estudiaremos la evaluación de una torre de
platos perforados como objetivo principal de la misma en un proceso de
destilación continúa de una mezcla binaria metanol – agua. Para una
mezcla de dos componentes volátiles llamada binaria, con ciertas
excepciones, es posible separar mediante este método dicha mezcla en
sus componentes, recuperando cada uno en el estado de pureza que se
desee.
En la destilación continua de mezclas binarias, se necesita calcular
el número de platos teóricos necesarios para lograr la separación deseada
con una relación de reflujo dada y calcular los límites de la operación
como el reflujo total y el reflujo mínimo.
Dichos cálculos se hacen por lo general por métodos gráficos entre
los cuales tenemos: el método Ponchon-Savarit llamado de concentración-
entalpía, que es un método riguroso que requiere de datos detallados de
entalpía para poderse aplicar y método McCabe-Thiele, que es un método
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menos riguroso que el anterior y que sólo utiliza las relaciones de
equilibrio y el balance de materia para poderse aplicar.
Se presenta una solución numérica del método matemático y
gráfico de McCabe- Thiele para encontrar el número teórico de etapas
necesarias para separar por medio de la destilación continua sistemas
binarios utilizando la Hoja de Cálculo Excel. La propuesta consiste en
encontrar una solución numérica y gráfica del método de McCabe-Thiele
para determinar el número de platos teóricos, la composición de cada
plato teórico, el reflujo total, el reflujo mínimo y la posición del plato de
alimentación. El método propuesto es sencillo de utilizar y puede ser
usado como un estimado preliminar del diámetro, altura de la columna, el
número de etapas, el consumo de energía, las dimensiones del hervidor y
condensador a utilizarse para una separación dada.
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Fundamentos Teóricos.
1. Destilación Continua de una Mezcla Binaria.
La destilación continua, también llamada fraccionada, se basa en la
alimentación regulable y en continuo de la mezcla a separar,
introduciéndola en una columna o torre de destilación, donde se separan
los componentes de una mezcla de forma continua en las distintas
fracciones, saliendo por la parte superior o cabeza la fracción más ligera o
de menor punto de ebullición, por el fondo la fracción más pesada y a
diferentes alturas de la columna, las distintas fracciones que se quieren
obtener dependiendo de su punto de ebullición ininterrumpido en el cual
se verifica la producción de un flujo c.
En una instalación de destilación continua las composiciones de los
productos separados permanecen constantes en cada sección de la
columna, para lo cual se utilizan unas corrientes que se denominan
reflujos, que son recirculaciones de las propias extracciones, y
aprovechando las evaporaciones y condensaciones sucesivas de las
extracciones, obteniendo productos destilados de características definidas
previamente.
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DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE LA DESTILACION CONTINUA
BINARIA.
El proceso de destilación utiliza fases de vapor y líquido, esencialmente
a la misma temperatura y a la misma presión, para las zonas coexistentes.
Se utilizan varios tipos de dispositivos, como por ejemplo: los empaques
vaciados u ordenados y las bandejas o platos para que las dos fases
entren en contacto íntimo. Los platos se colocan uno sobre otro y se
encierran con una cubierta cilíndrica para formar una columna. Los
empaques también están contenidos dentro de una cubierta cilíndrica,
entre los platos de apoyo y soporte.
2. Método de McCabe-Thiele.
Este es un método gráfico muy útil, puesto que no requiere datos
detallados de entalpía. Excepto cuando las pérdidas de calor o los calores de
solución son extraordinariamente grandes, el método de McCabe-Thiele se
adecua a la mayoría de los fines. Su adecuación depende de que, como
aproximación, las líneas de operación sobre el diagrama x-y puedan
considerarse rectas para cada sección de un fraccionado entre puntos de adición
o eliminación de corrientes.
Este método se basa en la representación de las ecuaciones de balance
de materia como las líneas de operación en el diagrama x-y. Las líneas se hacen
rectas, como se mencionó anteriormente, y se evita la necesidad del balance de
energía mediante la suposición de que hay un derrame molar constante. Se
supone que el flujo de la fase líquida es constante de plato a plato en cada Página 7 de 28
sección de la columna entre el punto de adición (alimentación) y el de retiro
(producto). Si el flujo del líquido es constante, el flujo del vapor tendrá que ser
también constante.
El método McCabe-Thiele es un algoritmo gráfico que permite determinar
el número de platos o etapas teóricas necesarios para la separación de una
mezcla binaria. Este procedimiento emplea la curva de equilibrio xy y algunos
balances de materia para determinar las líneas de operación de cada sección de
la torre. Una etapa teórica en un dispositivo de destilación cumple las siguientes
condiciones:
Trabaja en estado estable, generando un producto en fase
líquida y otro en fase vapor.
Las corrientes de vapor y de líquido que ingresan a cada etapa
se encuentran perfectamente mezcladas.
La corriente de vapor y líquido que salen de la etapa se
encuentran en equilibrio de fases.
La principal suposición que se toma en el método McCabe-Thiele es el
derrame equimolar a través de la torre, entre el plato superior y el de
alimentación, y el plato de alimentación el inferior. Esta suposición se
fundamenta en que las diferencias de los calores sensibles de las cuatro
corrientes que interactúan en una etapa son despreciables cuando los calores de
disolución son muy pequeños.
Por tanto, los calores latentes de las corrientes de vapor son importantes
en el balance de energía, tomando en cuenta que los calores de vaporización
para compuestos químicamente similares son muy parecidos, los flujos de vapor
son constantes a través de la torre así como también los flujos de líquido.
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ESQUEMA DE UNA COLUMNA DE DESTILACION CONTINUA.
Balance global: planteando un balance molar global de materia y
otro por componente en la columna se tiene:
F=D+W
Z f F=X DD+XwwDONDE:F: flujo de alimentaciónD: flujo de topeW: flujo de fondo Z f : Fracción molar en la alimentación
X D: Fracción molar en el topeX w: Fracción molar en el fondo
Sección de Enriquecimiento.
En la figura se representa el esquema superior de la torre incluyendo las
corrientes en cada etapa. Los balances de materia global y por componente para
la sección encerrada por la línea punteada se definen así:
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La línea de operación para la sección de enriquecimiento está
determinada por la variación de la composición de la fase vapor en términos de
la composición en la fase líquida, para hacer esto se despeja Y n+1 de la ecuación:
Empleando la suposición de derrame equimolar para los flujos líquidos
L1=L2=Ln la razón de reflujo se hace constante. Reemplazando la ecuación se
obtiene la línea de operación para la sección de rectificación:
Si el intercambiador de calor que se encuentra en la cima de la torre
condensa y subenfría el producto de cabeza a una temperatura menor a la de
burbuja, para la presión de operación, el retorno de este líquido a la columna
disminuirá el flujo de vapor que asciende del plato superior, debido a que
determinada cantidad de vapor se condensa para elevar la temperatura del
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reflujo hasta su punto de burbuja. Por tanto, el reflujo interno será diferente al
reflujo externo. Realizando los balances de materia y energía al plato superior se
obtiene la ecuación que define el reflujo aparente:
Sustituyendo el término de reflujo interno en la ecuación se obtiene la
ecuación para la sección de enriquecimiento para el caso de reflujo subenfriado:
Sección de Agotamiento.
En la figura se muestra el esquema inferior de la torre. Para la zona
encerrada por la línea punteada los balances de materia global y por
componente vienen dados por las ecuaciones.
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Despejando Y n+1 para obtener la línea de operación para la sección de agotamiento se tiene:
Balance para la Sección de Alimentación.
El método de McCabe-Thiele especifica el estado termodinámico de la
alimentación en términos del parámetro q, que se define como:
El parámetro q expresado en función de entalpías es:
Es más conveniente para plantear los balances de materia utilizar el
concepto de q como la fracción de la alimentación que se encuentra en el estado
de líquido saturado.
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Entonces, para una alimentación que se encuentra como líquido saturado,
q=1 ,0<q<1y en el caso de mezcla saturada y finalmente para vapor saturado
q=0.
Los balances de materia globales para el plato de alimentación son los siguientes:
Para los balances por componentes se toman las ecuaciones, sin tener en
cuenta los subíndices, para las secciones de enriquecimiento y agotamiento,
respectivamente:
Los respectivos valores de q nos indican el valor de la pendiente de la
curva representada por la ecuación, en la figura se presentan las condiciones
típicas de alimentación. Luego:
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Localización de la línea q para diferentes alimentaciones.
Son el reflujo total y mínimo utilizando el método McCabe-Thiele. Por lo
general, para calcular el número de etapas teóricas necesarias para lograr una
separación determinada de una mezcla binaria se especifican las condiciones de
alimentación y las composiciones del destilado y de los fondos. La información
anterior no es suficiente para trazar las líneas de operación, como se puede ver
en la ecuación es necesario establecer la relación de reflujo; este valor se
encuentra entre dos valores límite, los cuales son el reflujo total y el mínimo.
Reflujo Total.
Se conoce también como reflujo infinito y consiste en retornar a la torre
todo el producto de cima y de fondos obtenido, además no hay alimentación al
equipo. Si se observa la pendiente de la ecuación para la sección de
enriquecimiento, con un valor infinito del reflujo, se aproxima a 1, dando como
resultado la superposición de esta línea con la diagonal de 45º; sucede lo mismo
para la sección de agotamiento. Al usar reflujo infinito se obtienen el número
mínimo de etapas teóricas necesarias para la separación como se representa en
la figura:
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Numero mínimo de etapas
Si la volatilidad relativa de la mezcla binaria es casi constante, Fenske
propone una ecuación para determinar de manera analítica el número mínimo de
etapas teóricas requeridas:
Reflujo Mínimo Rm.
Se define como la razón de reflujo que requeriría un número infinito de
etapas teóricas para lograr la separación deseada. Al disminuir el reflujo, las
líneas de operación se separan de la diagonal de 45º y se comienzan a acercar a
la curva de equilibrio hasta que la tocan, obteniéndose un punto invariante en
donde se requiere un número infinito de etapas para lograr la separación como
se ve en la figura. Un síntoma de un punto de estrangulamiento se da cuando la
diferencia de temperatura entre etapas consecutivas es muy pequeña. Sin
embargo, lo anterior también se presenta cuando la torre se inunda, se seca o
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las etapas son insuficientes para la separación. El reflujo de operación se debe
encontrar entre el reflujo mínimo y el total, debido a que no resulta
económicamente viable utilizar los límites del reflujo. Para determinar el valor
óptimo de reflujo se requiere realizar un balance económico sobre la torre de
destilación. Para muchos casos el valor del reflujo óptimo se encuentra entre 1.2
Rm y 1.5 Rm
El balance de energía total para la columna de destilación viene dado por la ecuación
Limitaciones del Método McCABE-THIELE.
La principal suposición que se realiza en el método McCabe-Thiele
es su principal limitante. Para el caso en donde el reflujo de trabajo sea
grande, la línea de operación para la sección de enriquecimiento se aleja
de la curva de equilibrio, generando cambios rápidos de composición que
hacen que el efecto de suponer un flujo molar constante sea mínima. Sin
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embargo, si el reflujo es muy cercano al valor mínimo, el intercepto de la
línea de operación para la zona de rectificación y la línea q está muy
cercano a la curva de equilibrio. Para este caso, la suposición de flujo
molar constante tiene como consecuencia un diseño insuficiente para
lograr la separación; con el fin de evitar lo anterior se utiliza un factor de
sobre diseño.
3. Torres de Platos.
Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se
ponen en contacto en forma de pasos sobre platos. El líquido entra en la parte
superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino fluye a través
de cada plato y a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia
arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a
través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al
plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el
gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los
dos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los
fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan.
El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o
torre sólo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y
sólo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo
está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del
equilibrio. La eficiencia de la etapa o plato y por lo tanto, el número de platos
reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de
operación.
4. Datos de Equilibrio de Fase.
Para una mezcla binaria, la temperatura y la presión determinan las
composiciones del líquido y de vapor en el equilibrio. Por consiguiente, los datos
experimentales se presentan con frecuencia en forma de tablas de la fracción
molar del vapor “y” y la fracción molar del líquido “x”, para un constituyente, en
un intervalo de temperatura “T”, para una presión fija “P” o en un intervalo de Página 17 de 28
presión, para una temperatura fija. Una recopilación de dichos datos,
básicamente a la presión de 101.3kPa para algunos sistemas binarios
(principalmente no ideales) puede apreciarse en la siguiente figura:
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
sistema metanol vs agua
líquido
vap
or
5. Torres de Platos.
Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se
ponen en contacto en forma de pasos sobre platos. El líquido entra en la parte
superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino fluye a través
de cada plato y a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia
arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a
través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al
plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el
gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los
dos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los
fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan.
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Factores que influyen en la eficiencia:
Arrastre de gotas. Corto circuito y canalizaciones. Elevada pérdida de carga. Baja Velocidad del gas.
6. Eficiencia de Etapa.
En el equipo real de multietapas a contracorriente, las dos fases que
salen de una etapa no se encuentran en equilibrio, debido a un tiempo de
contacto insuficiente o a una dispersión inadecuada de las dos fases en la etapa.
El diseño debe considerar las etapas reales de contacto; no las etapas
teóricas asumidas por conveniencia en el análisis matemático de procesos de
multietapas. El equilibrio raramente se logra en etapas reales. El concepto de
eficiencia de etapa es usado para relacionar la performance de etapas prácticas
de contacto a la etapa teórica de equilibrio. Se usan tres definiciones de eficiencia:
Eficiencia de plato de Murphree (Murphree, 1925), definida en términos de las composiciones del vapor mediante:
1.1
Donde ye es la composición del vapor que debería estar en equilibrio con el
líquido saliendo del plato. La eficiencia de Murphree es la razón de la separación
actual alcanzada a la que debería alcanzarse en una etapa teórica de equilibrio.
En esta definición de eficiencia, el liquido y el vapor son tomados a estar
perfectamente mezclados; las composiciones en la Ec. (1.1) son las
composiciones promedio de las corrientes.
Eficiencia de punto (eficiencias puntuales de Murphree). Si las composiciones del vapor y del líquido son tomadas a un punto sobre el plato, la Ec. (1.1) da la eficiencia local o de punto, EmV.
Eficiencia total de la columna. Esta es en algunos casos confusamente referida como la eficiencia total del plato.
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Eo=Numero deetapas idealesNumerodeetapas reales
(1.2)
Un estimado de la eficiencia total de la columna será necesario cuando el
método de diseño usado da un estimado del número de etapas ideales requerido
para la separación.
En algunos métodos, puede incorporarse la eficiencia del plato de Murphree
en el procedimiento para calcular el número de etapas y el número real de etapas
determinado directamente.
Para la situación idealizada donde las líneas de operación y equilibrio son
rectas, la eficiencia total de la columna y la eficiencia de plato de Murphree se
relacionan mediante una ecuación derivada por Lewis (1936)
1.3
donde m = pendiente de la línea de equilibrio
V = flujo molar de vapor
L = flujo molar de liquido
La Ec. (1.3) no es de mucho uso práctico en destilación, a medida que las
líneas de balance de materiales y de equilibrio varían a lo largo de la columna.
Esta puede usarse dividiendo la columna en dos secciones y calculando las
pendientes sobre cada sección. Para la mayoría de propósitos prácticos, será
suficiente calcular una eficiencia promedio entre los puntos del tope, fondo y
alimentación de la columna.
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DESCRIPCION DEL EQUIPO.
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El aparato de destilación continua es formado por un balón de vidrio con
fondo plano, que es calentado por una llama. En este balón la mezcla es
homogénea. La boca del balón permanece preso una columna de
fraccionamiento con bolas de vidrio en su fondo por lo general. En lo más alto de
la columna de fraccionamiento está un termómetro, y en el lateral, hay una salida
para un condensador. El condensador es hecho por un tubo interior que será
envuelto externamente por agua fría. Al final del condensador hay un vaso.
En el balón de vidrio se coloca la mezcla. Al ser calentada, la sustancia de
menor punto de ebullición se evaporará primero y, más tarde, la otra sustancia se
va a evaporar también. Sin embargo, para apoyarse en la punta de la columna
de fraccionamiento, la primera sustancia se condensa de nuevo en el frasco, y la
otra sustancia seguirá subiendo hasta encontrar el condensador. El termómetro
sirve para mantener una temperatura constante, un poco por encima del punto
de ebullición. Al final del proceso, el vaso contendrá el líquido más volátil y el
balón de vidrio tendrá el líquido menos volátil.
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DATOS EXPERIMENTALES.
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DISCUSION DE RESULTADOS.
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CONCLUSION.
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La finalidad con la cual se realizo esta práctica fue la de plasmar los
conocimientos adquiridos durante el curso teórico de la materia. Por otra parte es
fundamental destacar que el estudiar una columna de destilación continúa y
analizar cada uno de los pasos necesarios para un correcto inicio de operación
de la misma, permite al estudiante enriquecer sus conocimientos acerca de este
método para separar los componentes de una mezcla binaria, y además conocer
el funcionamiento de un equipo de tal magnitud. Esto permite que al momento de
ir al campo de trabajo, logre desempeñarse de una manera excelente frente a
una columna de este tipo.
Los puntos tratados en este informe se presentan de manera tal que lo
que se persigue es establecer una idea clara del tema abordado. Para ello se
incluye el fundamento teórico de la práctica realizada, el cual es primordial para
la compresión del informe, Se muestran además los datos experimentales
recopilados y los resultados obtenidos. Los mismos se especifican en tablas y
gráficas, las cuales detallan de forma clara y precisa el cumplimiento del objetivo.
Al finalizar se incluye un apéndice de los cálculos realizados los cuales servirán
de guía.
RECOMENDACIONES.
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Aunque la eficiencia de Murphree está definida en términos de las
concentraciones de vapor, resulta difícil tomar muestras que sean confiables de
esta fase, por lo que se toma muestras del liquido en los platos, entonces se
calcula la eficiencia a partir de las composiciones, aunque también es otra opción
determinar las composiciones del vapor mediante un diagrama McCabe-Thiele.
Si se conoce la eficiencia de Murphree, esta puede emplearse aun mas
fácil en un diagrama de McCabe-Thiele para conocer el numero de platos reales
con respecto al número de platos ideales.
Se debe considerar el diseño y mejoramiento de cualquier torre de
destilación, en esta oportunidad se hablo de una torre de platos perforados para
destilación continua que es utilizada en la industria química y petroquímica con la
finalidad de llevar a cabo procesos de separación de compuestos líquidos por
medio de su punto de ebullición.
Estudiar cuidadosamente y analizar los valores que obtenemos como
resultados finales para así llegar a buenas y decisivas conclusiones a niveles
industriales.
Tener espacios amplios y habilitados para llevar a cabo cualquier tipo de
destilación en dicha torre con todos sus accesorios y de esta manera concluir
con buenos procedimientos u operaciones de destilación de mezcla binaria.
Los métodos gráficos tienen el inconveniente de que al ser hechos a mano
consumen mucho tiempo y son ciertamente inexactos. Por otro lado se pueden
hacer dichos cálculos utilizando alguno de los programas de comerciales para
simulación de procesos químicos los cuales son costosos para obtener las
licencias para su utilización.
BIBLIOGRAFÍA
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Guía Práctica de Operaciones Unitarias 2. Practica Nº2. Destilación por cargas.
PERRY, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Tomo 1. Editorial McGraw-Hill.
Sexta edición 1998.
Mc Cabe, W, Smith. J. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Editorial
McGraw-Hill. Sexta Edición, 2001.
Smith Van Ness. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química.
Simulador de Procesos Pro II versión 8.0. Simulation Sciences Inc.
TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill.
Segunda Edición.1991.
McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería
Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999.
SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en
Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997
APENDICE.
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