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• Gerson Castillo Vega

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ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Laboratorio de Operaciones Unitarias II

DESTILACIÓN Objetivos 1) Estudiar la operación de la columna de destilación batch a reflujo total y a reflujo constante. 2) Determinar la eficiencia de Murphree para cada etapa. 3) Aplicar el balance de energía de la columna. 4) Graficar:  Número de etapas vs. Eficiencia de cada etapa.  Temperatura de etapa vs. Número de etapa.  Fracción molar vs. Número de etapa.  Temperatura de ebullición vs. Tiempo de operación. Fundamento teórico La destilación es una operación unitaria que tiene el objeto de separar uno o más componentes volátiles de una mezcla homogénea utilizando la diferencia de temperaturas de ebullición de cada componente. En un proceso industrial esta operación utiliza como agente de calefacción vapor, pudiendo ingresar la alimentación en su punto de ebullición o como vapor. El componente más volátil es separado como vapor que luego es recuperado como condensado.

Figura 1. Esquema de la torre de destilación batch del LOU Operación a reflujo constante La relación de reflujo es constante

𝑹 = 𝑳⁄𝑫 El reflujo es la razón entre la cantidad de líquido con respecto al destilado que retorna a la columna de destilación para seguir enriqueciendo los vapores que ascienden en la zona de enriquecimiento.

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El balance de masa en la columna viene dado por:

𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑺𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝑨𝒄𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝑭 − 𝒅𝑫 = 𝒅𝑾

(1)

Como F = 0, entonces:

−𝒅𝑫 = 𝒅𝑾 La composición del destilado varía dXD y la cantidad extraída de destilado será dD, luego en (1), tenemos:

𝒅𝑫 (𝑿𝑫 −

𝒅𝑿𝑫 ) = −𝒅(𝑾 ∙ 𝑿𝑾 ) 𝟐

(2)

𝒅𝟐 𝑿𝑫 𝑿𝑫 ∙ 𝒅𝑫 − = −𝑾𝒅𝑿𝑾 − 𝑿𝑾 𝒅𝑾 𝟐 Despreciando las diferencias de 2do. orden, tenemos:

𝑿𝑫 = −𝑾𝒅𝑿𝑾 − 𝑿𝑾 𝒅𝑾

(3)

Dividiendo (1) entre W:

𝒅𝑫/𝑾 = 𝒅𝑾/𝑾

(4)

Reemplazando la ecuación (4) en (3) y simplificando términos:

−𝑋𝐷 𝑑𝑊 = −𝑊𝑑𝑋𝑊 − 𝑋𝑊 𝑑𝑊 (𝑋𝑊 − 𝑋𝐷 )𝑑𝑊 = −𝑊𝑑𝑋𝑊 𝒅𝑫/𝑾 = 𝒅𝑾/(𝑿𝑫 − 𝑿𝑾 )

(5)

Integrando entre los límites de concentración inicial y final: 𝒊

𝒊

∫ 𝒅𝑫/𝑾 = ∫ 𝒇

𝒇

𝒅𝑾 (𝑿𝑫 − 𝑿𝑾 )

Para evaluar esta ecuación es necesario resolver mediante el método gráfico. Eficiencia de Murphree Para la determinación de esta eficiencia partimos de la relación:

𝐸𝑀𝐿 =

𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜

(6)

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𝑬𝑴𝑳 =

𝑿𝑵 − 𝑿𝑵+𝟏 𝑿𝑵 − 𝒙∗𝑵+𝟏

(7)

Donde: XN: Composición molar del destilado en el plato N XN+1: Composición molar del destilado, plato N+1 X*N+1: Composición molar del líquido en equilibrio, plato N+1 Tabla 1. Evaluación de la integral N°

XD

XW

1/(XD – XW)

ln(Wi/Wf)

Wf

Tabla 2. Datos de equilibrio L–V sistema C2H5OH – H2O a 1 atm en fracciones molares XEtOH 0 0,019 0,0721 0,0966 0,1238 0,1661 0,2337 0,2608 0,3273 0,3965 0,5198 0,5732 0,6763 0,7472 0,8943 1,00

XW 1,0 0,981 0,9279 0,9034 0,8762 0,8339 0,7663 0,7392 0,6727 0,6035 0,4802 0,4268 0,3237 0,2528 0,1057 0

YEtOH 0 0,170 0,3891 0,4375 0,4704 0,5089 0,5445 0,5580 0,5826 0,6122 0,6599 0,6841 0,7385 0,7815 0,8943 1,00

YW 1,0 0,830 0,6109 0,5625 0,5296 0,4911 0,4555 0,4420 0,4174 0,3878 0,3401 0,3159 0,2615 0,2185 0,1057 0

T, °C 100 95,5 89,0 86,7 85,3 84,1 82,7 82,3 81,5 80,7 79,7 79,3 78,74 78,41 78,15 78,30

Fuente: Wankat, 2008, Pág. 14 (tomada de Perry) Referencias bibliográficas: Loyola, W. S/A. Manual de LOU II. F.I.Q., Universidad Nacional de Trujillo. Trujillo, Perú. Wankat, P.C. 2008. Ingeniería de procesos de separación. 2ª edición. Pearson Educación. México.