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• Jhesua Valencia Ocampo

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OPERACIONES UNITARIAS II UNIDAD II: DESTILACION FRACCIONADA METODO McCABE-THIELE Se va a fraccionar 1000 lb/h de una solución de acetona-agua, que contiene 25% en peso de acetona, a 1 atm de presión. Se desea recuperar el 99,5% de la acetona en el destilado a una concentración de 99% en peso. La alimentación se va a tener a 26,7 ºC y se va a precalentar mediante un intercambio de calor con el producto residual del fraccionador, que a su vez se va a enfriar a 51,7 ºC. Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37,8 ºC mediante agua de enfriamiento que entra a 26,7 ºC y sale a 40,6 ºC. El reflujo va a regresar a 37,8 ºC con una relación de Ropt/Rmin igual a 2.27. Se va a utilizar vapor de agua indirecto como medio de calentamiento en el rehervidor a 1.5 Kgf/cm2. La torre va a estar aislada para reducir la perdida calorífica a valores despreciables. Calcule: a. El flujo y composición del destilado, reflujo y residuo, por hora b. La carga calorífica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora c. La entalpía de la alimentación al entrar en la torre y su condición térmica (expresada cuantitativamente) d. La carga calorífica del rehervidor y el flujo de vapor de agua , por hora e. Número de etapas a reflujo total f. El número de platos ideales requeridos si la alimentación se introduce en la ubicación optima. g. Ubicación del plato de alimentación y las composiciones del flujo de liquido y vapor en equilibrio h. El numero de platos reales si la eficiencia global es de 60% T, ºC Capacidad calorífica acetona, kJ/kg.ºc Calor latente evaporación, kJ/kg Solución: Esquema del proceso especificado

20 2,22 1013

37,8 2,26 976

65,6 2,34 917

93,3 2,43 863

100 850

Calculo de las composiciones y flujos de la corriente de alimentación, destilado y residuo en unidades molares: PMAcetona = 58 kg/kmol

PMAgua = 18 kg/kmol

xF = 0,09375

xD = 0,9685 PMmezcla,F = 0,09375(58) + 0,90625(18) = 21,75 kg/kmol PMmezcla,F = 21,75 kg/kmol PMmezcla,D = 0,9685(58) + 0,0315(18) = 56,74 kg/kmol PMmezcla,D = 56,74 kg/kmol

F = 208,547 kmol/h

D = 20,086 kmol/h Realizando un balance global de materia en la columna F = D + B ======> 208,547 kmol/h – 20,086 kmol/h = B B = 188,4607 kmol/h Balance por componente: F.XF = D.XD + B.XB

======> XB = (F.XF - D.XD )/ B

XB = [208,547 kmol/h(0,09375) - 20,086 kmol/h(0,9685)]/ 188,4607 kmol/h XB = 5.1994 x 10-4 Calculo del calor retirado en el condensador, qC: Balance global de materia en el condensador, entorno II: V = L + D; dividiendo ambos términos de la ecuación por D, se obtiene: V = D(R + 1) Ropt/Rmin = 2.27 ===> Ropt = 2.27 Rmin

Trazando en la grafica x-y para acetona – agua el Rmin Obteniéndose el corte con el eje Y igual a XD/ (Rmin +1) = 0.54 despejando queda Rmin = (XD/0.54) – 1 Rmin = (0,9685/0.54) – 1

Rmin = 0,7935

Ropt = 2.27 (0.7935) = 1.801

Ropt = 1,8

V = 20,086 kmol/h (1,8 + 1) = 56,2408 kmol/h V = 56,2408 kmol/h Calculo del flujo del reflujo, L: L = 1,8(D) = 1,8(20,086 kmol/h) = 36,1548 kmol/h

L = 36,1548 kmol/h , Xo = 0.9685

Balance de energía en el condensador: V.HV = L.hL + D.hD + qC

hL = hD condensador total

V (HV – hL) = V.λmezcla,V = qC Del gráfico: calor latente de mezcla vs. temperatura, se obtiene: λ

Mezcla

= 976 kJ/kg a T= 37.8 ºC

λmezcla,V = 976 kJ/kg qC = 56,2408 kmol/h (976 kJ/kg)(56,74 kg/kmol) = 3.114.516,52 kJ/h qC =3.114.516,52 kJ/h Calculo del flujo de agua de enfriamiento, magua: qc = magua.CP,agua(Ts,agua – Te,agua) Cp

Agua

a Temperatura Promedio 33.65 ºC = 4,1791

magua = 53617,1181 kg/h

Calculo de la entalpia de la corriente de alimentación en el punto de entrada a la torre: Para determinar la entalpia en la corriente de alimentación a la entrada de la columna se realiza un balance entalpico en el intercambiador de calor a la entrada de la columna F.hF,e + B.hB,e = F.hF,s + B.hB,s ======> F(hF,e - hF,s) = B(hB,s – hB,e)

Calculo de las entalpias de cada una de las corrientes de entrada y salida de la columna: h = CP (T – Tref)

Tomando como Tref = 17,2 ºC

Del grafico: Cp vs. Composición(x,y) se obtienen los valores de las capacidades caloríficas, CP: CP,F = 4,020 kJ/kg.ºC (21,75 kg/kmol) = 87,435 kJ/kmolºC

CP,F = 87,435 kJ/kmolºC

CP,D = 2,26 kJ/kg.ºC (56,74 kg/kmol) = 128,2324 kJ/kmolºC

CP,D = 128,2324 kJ/kmolºC

CP,B = 4,1793 kJ/kg.ºC (18 kg/kmol) = 75,2267 kJ/kmolºC

CP,B = 75,2267 kJ/kmolºC

hF = 87,435 kJ/kmol.ºC (26,7 – 17,2)ºC = 830,6325 kJ/kmol

hF = 830,6325 kJ/kmol

hD = 128,2324 kJ/kmolºC (37,8 – 17,2)ºC =2641,5874 kJ/kmol

hD = 2641,5874 kJ/kmol

hB = 75,2267 kJ/kmolºC (51,7 -17,2)ºC = 2595,3212 kJ/kmol

hB = 2595,3212 kJ/kmol

hB,e = Cp,Be(Tburbuja – Tref) Por diagrama Tyx, Tburbuja = 100 ºC hB,e = 75,2267 kJ/kmolºC(100 – 17,2)ºC = 6228,771 kJ/kmol

hB,e = 6228,771 kJ/kmol

hF,s = 4114,125 kJ/kmol Calculo de la temperatura de alimentación a la entrada de la torre HF,s = Cp,Fs*(TFs– Tref)= 4114.125 kJ/kmol TFs= (4114,125 kJ/kmol / 87,435 KJ/Kmol) +17,2ºC = 64,25 ºC TF,s = 64,25 º C De acuerdo al diagrama T xy, con XF= 0,09375, la temperatura de burbuja Tb de la mezcla de alimentación es 67ºC, comparando este valor con TFS calculado igual a 64,25 ºC, se tiene que la mezcla entra a la torre como líquido subenfriado. Calculo de la condición térmica de la alimentación q La condición térmica de la alimentación se determina mediante la ecuación:

hL = CPMezcla F* (TbF – Tref)= 87,435KJ/Kmol*ºC*(67-17,2)ºC= 4354,263KJ/Kmol hL= 4354,263 kJ/kmol Con TFS= 64,25 ºC , en la gráfica: calor latente de la mezcla vs Temperatura se lee λmezcla,F = 920 kJ/kg Sustituyendo los valores en la ecuación de q, se obtiene: q = 1,012

La pendiente de la línea de operación de la alimentación es 84,33 y a partir del punto (0,09375; 0,09375) se traza la distancia 8,43 vertical hacia arriba y luego 0,1 hacia la derecha o se traza el ángulo 89,32 en el primer cuadrante y se traza la línea de la alimentación. El punto de corte de la línea de operación de la zona de rectificación es

. A partir del punto (0,9685;

0,9685) se traza la línea de operación de la zona de rectificación y se une con el punto de corte de la línea de operación (0,35; 0,00). Esta línea se intercepta con la línea de operación de la alimentación y se obtiene un nuevo punto que al unirlo con el punto (0,00; 0,00051) se obtiene la línea de operación de la zona de agotamiento.

La carga calorífica del rehervidor se calcula haciendo un abalance de energía a toda la columna F*HFs + qr= D*HD+B*HBe +qc qr= D*HD+B*HBe +qc - F*HFs D= 20,086 Kmol/h

qc=3.114.516,52 kJ/h

B= 188,4607 kmol/h

hF,s = 4114.125 kJ/kmol

F = 208,547 kmol/h

hB,e = 6228,771 kJ/kmol

hD = 2641,5874 kJ/kmol

qr= 3.483.465,561 KJ/Kmol Y finalmente m`= qr/ λAgua λVaporAgua= 532,38 Kcal/Kg

, λAgua se determina a la presión de 1.5 Kgf/cm2 m= 3483645,561 KJ/h / (532,38 Kcal/Kg *4,185 KJ/Kcal) = 1563,487 Kg/h m=1563,487 Kg/h

Diagrama X-Y Acetona-Agua

1,00 0,95 0,90 0,85 0,80

0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

X Fraccion Molar Acetona(Fase Liquida)

1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00 0,00

Y Fraccion Molar Acetona (Fase Vapor)

0,75