Facultad de Ingeniería y ciencias humanas _ Junín

OPERACIONES UNITARIAS II

TEMA: TORRES DE VARIAS ETAPAS(PLATOS),METODO DE PONCHON Y

SAVARIT

ESTUDIANTE:

MACHACUAY CORDOVA, Santiago

Docente:

Ing.: ECHEVARIA VICTORIO Jymi

Carrera profesional:

Ing. Agroindustrial

Semestre: V I MSN: stg_666@hotmail.com

JUNIN – PERU

2009-II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

TORRES DE VARIAS ETAPAS(PLATOS),METODO DE PONCHON Y SAVARIT

Introducción

En el método de McCabe-Thiele se considera la constancia de los calores latentes molares de vaporización y se desprecian los calores de mezcla. Estas suposiciones implican la constancia de los caudales molares de líquido y vapor en toda la columna de rectificación, excepto en las zonas de alimentación o extracción de corrientes laterales (tanto de materia como de entalpía). Estas simplificaciones son muy útiles y permiten el desarrollo de un método gráfico muy sencillo para la determinación del número de pisos en una columna de rectificación, así como de la concentración de cada una de las corrientes que abandona cada etapa. Sin embargo, estas condiciones se satisfacen raramente en la práctica real de la rectificación, aunque proporcionan un buen punto de partida en problemas de diseño.

Para sistemas reales, donde el calor latente molar depende de la composición y donde se presentan considerables efectos caloríficos de mezcla, los cálculos resultan más complicados no siendo aplicable el citado método, Para sistemas binarios, Ruheman Ponchon y Savarit desarrollaron un método gráfico para resolver este tipo de problemas en sistemas reales, que se basa en el uso del diagrama entalpía específica - composición.

La sección de enriquecimiento

Considérese la sección enriquecedora a través del plato n, entorno III, figura 9.17. El plato n es cualquier plato en esta seccion. Los balances de materia para la sección, para la materia total, son:

Gn+l =Ln+D

y para el componente A,

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Cuando se elimina un vapor saturado D que se obtiene como destilado, el condensado proporciona el reflujo. Esto se hace con frecuencia cuando resulta muy elevada la presión que se requiere para la condensación total del vapor.

Un balance total de materia para el entorno de la figura 9-17 (Treybal) es:

G = L + D = D (R + 1)

Para el componente A,

Gyn+1 = Lxn + DxD

De donde la línea de operación de la sección de enriquecimiento es:

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La sección de agotamiento

La vapor que abandona el rehervidor y entra en el plato inferior de la torre.

- La torre de destilación fraccionada completa

Representa la mezcla de alimentación, muestra que en este caso la mezcla de alimentación en un liquido debajo del punto de burbuja.

Se efectúa un cambio desde la curva de operación en el enriquecimiento hasta aquella en el agotamiento en el plato sobre el cual se introduce la mezcla de alimentación.

Ahora considérese una sección del fraccionador abajo del punto de introducción de l mezcla de alimentación, los platos son teóricos. Los flujos de L y G son constantes de plato a plato, pero no son necesariamente iguales a los valores en la sección de enriquecimiento. Un balance total de materia:

y para el componente A

Estas ecuaciones proporcionan la ecuación de la línea de operación de la sección de agotamiento,

Si el vapor rehervido yw está en equilibrio con el residuo xw, el primer escalón en la construcción de escalera representa el rehervidor.

Localización del plato de alimentación

Los balances de materia y de entalpía a partir de los cuales se obtienen las curvas de operación, indican que la construcción por pasos debe cambiar las líneas de operación en el plato en que se está introduciendo la mezcla de alimentación.

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9.21 - El fraccionador completo Alimentación debajo del punto de burbuja y un condensador total.

En el diseño de fraccionador, se desea el menor número de platos para las condiciones dadas. Esto requiere que la distancia entre las curvas de operación y en el equilibrio siempre se mantenga tan grande como sea posible; esto se consigue si el plato de alimentación se toma como el plato que dirige la intersección de la curva de operación en M.

Se entiende que si toda mezcla de alimentación es liquida, se introduce encima del plato, de forma que entre el plato junto con el líquido del plato superior. Y a la inversa, si toda la mezcla de alimentación es vapor, se introduce por debajo del plato de alimentación.

Incremento en la relación de reflujo

Al aumentar la relación de reflujo R = Lo/D, el numero de platos disminuirá, pero aumentan las superficies del condensador y del rehervidor y la sección transversal de la torre se deben aumentar para acomodar cargas mayores.

Relación mínima de reflujo

La relación de reflujo mínimo Rm, es la relación máxima que requerirá un número infinito de platos para lograr la separación deseada; corresponde a la carga térmica mínima del rehervidor y de enfriamiento del condensador para la separación.

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Relación óptima de reflujo

Cualquier relación de reflujo entre el mínimo y el infinito proporcionará la separaci6n deseada; lógicamente, el número respectivo de platos teóricos necesitados variará desde lo infinito hasta el número mínimo. Por lo general, la determinación del número de platos a distintos valores de R, junto con los valores limitantes de Nm y R, permitirá graficar toda la curva con suficiente exactitud para la mayoría de los fines.

En la relación de reflujo mínimo, la columna requiere un número infinito de platos; en consecuencia, el costo fijo es infinito, pero son mínimos los costos de operación (calor para el rehervidor, agua de enfriamiento, para el condensador, potencia para la bomba de reflujo. Al ir aumentando R, el número de platos decrece rápidamente, pero el diámetro de la columna crece debido a las cantidades mayores de líquido y vapor recirculados por cantidad unitaria de alimentacion.

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Rehervidores

Los arreglos que el intercambiador de calor necesita para proporcionar el calor necesario y devolver el vapor al fondo del fraccionador pueden tomar diferentes formas.

a) Ollas con chaquetaLos fraccionadores pequeños utilizados en el trabajo de plantas piloto tal vez requieran simplemente de una olla con chaqueta, pero necesariamente será pequeña la superficie de transferencia de calor y la capacidad correspondiente de generación de vapor.

b) Rehervidor internoEl intercambiador de calor tubular construido en el fondo de la torre es una variación que proporciona una superficie mayor, pero su limpieza requiere que se cancele la operación de destilación.

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c) Rehervidor del tipo caldera (paila)

Con el medio de calentamiento dentro de los tubos, envía un vapor a la torre que está basicamente en equilibrio con el producto residual, y entonces se comporta como una etapa ideal.

d) El rehervidor de termosifónEl rehervidor de termosifón vertical, con el medio de calentamiento afuera de los tubos, puede manejarse para evaporar todo el líquido que entra para producir un vapor de la misma composición que el producto residual, en cuyo caso no se logra enriquecimiento.

El rehervidor recibe líquido de la trampa del plato del fondo; este líquido se evapora parcialmente. Tambien se conocen los rehervidores horizontales.

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Ejemplo:

Cinco mil kilogramos por hora de una solución de metano1 (A)-agua (B) que contiene 50% en peso de metano1 a 26.7 “C (80 ºF) se va a rectificar continuamente a 1 atm de presión para producir un destilado que contenga 95% de metano1 y un residuo que contenga 1% de metano1 (en peso). La mezcla de alimentación se va a precalentar mediante intercambio de calor con el residuo, el cual abandonara el sistema a 37.8 “C (100 ºF). El destilado se va a condensar totalmente hasta un líquido y el reflujo se va a regresar en el punto de burbuja. El destilado obtenido se va a enfriar por separado antes de almacenarse. Se va a utilizar una relacion de reflujo de 1.5 veces el mínimo. Determinar:

(a) la cantidad de los productos, (b) la entalpia de la mezcla de alimentación y de los productos, (c) la relación de reflujo mínimo, (d) el número mínimo de platos teóricos.

a) Peso molecular del metano1 = 32.04, peso molecular del agua = 18.02. Bases 1 h. Definir las cantidades en función de kmol/h.

De la formula

F = D+W

F* Zf = D*Xp + W*Xw

216.8(0.360) = D (0.915) + W(0.00565)11

F= 5000(0.50) + 5000(50) = 78.0 + 138.8 = 216.8 Kmol/h 32.04 18.02

Zf= 78 = 0.0360 fraccion mol de metano 216.8

Xp = 95/32.04 = 0.915 fraccion mol de metanol 95/32.04+5/18.02

Mpr para la destilacion = 100 = 31.1 Kg/kmol 3.217

xw= 1/32.04 = 0.0312 = 0.00565 fraccion mol de metanol 1/32.04 + 99/18.02 5.53

Mpr para el residuo = 100 = 18.08 Kg/kmol 5.53

Resolviendo por simultaneas:

D = 84.4 kmol/h 84.4(31.1) = 2620 kg/h

W = 132.4 kmol/h 132.4(18.08) = 2380 kg/h

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b) El equilibrio vapor-liquido a 1 atm de presión Para calcular las entalpías de los líquidos saturados, considérese el caso de x’= 0.3 fracción mol de metanol, M,, = 22.2. El punto de burbuja = 78.3 “C; capacidad calorífica = 3 852 J/kg . K: el calor de solución = 3 055 kJ desprendidos/kmol metanol.

HS = - 3 OSS(O.3) = - 916.5 kJ/kmol solucih. Por lo tanto, ecuación (9.10):

HL = 3.852(78.3 - 19.69)22.2 - 916.5 = 4095 kJ/kmol

Para calcular la entalpía de los vapores saturados, considérese el caso de y = 0.665 fraccion mol de metanol. El punto de rodo es 78.3 ºC. A esta temperatura, el calor latente del metano1 es 1 046.7 kJ/kg; el del agua es 2 314 kJ/kg. La capacidad calorífica del metano1 es 2 583; la del agua, 2 323 J/kg . K.

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HG = 0.665[2.583(32.04)(78.3-19.69) + 1046.7(32.04)] + (1 - 0.665)[2.323(18.02)(78.3 - 19.69) + 2314(18.02)] = 40 318 kJ/kmol

Para la mezcla de alimentación, AH, = -902.5 kJ/kmol. La entalpía de la mezcla de alimentación a 58.3 ºC es.

HF = 3.852(58.3 - 19.69)(23.1) - 902.5 = 2533 kJ/kmol

A partir de la figura 9.27, H;, = HLo = 3 640, Hn = 6 000 kJ/kmol

c) Puesto que el diagrama xy (figura 9.28) es en todas partes cóncavo hacia abajo, la relación de reflujo mínima se establece mediante la línea de unión de la figura 9.27 (x =0.37, y = 0.71); esa linea, cuando se extiende, pasa a través de F, la mezcla de alimentación. A Dm,, Qm = 62 570 KJ/kmo1. Hgl = 38 610 kJ/kmol. La ecuación.

d) El número rninimo de platos se determino sobre el diagrama xy de la misma forma que la parte; se obtuvieron 4.9 etapas ideales, incluyendo el rehervidor.

Nm = 4.9 - 1 = 3.9.

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Rm= 62570 - 38610 = 0.685 38610 - 3640

CONCLUSIONES

Según el método de destilación aplicado se utilizan diferentes equipos de destilación.

La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla.

En la destilación con torres de varias etapas, el líquido de cada etapa fluye por gravedad a la etapa inferior y el vapor de cada etapa lo hace hacia arriba, a la etapa superior.

Aprovecha los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar.

Aplicándosele los cálculos correspondientes, podemos obtener analíticamente, cuanto de producto se obtiene, a través de un balance de materia o cuanto de energía se requiere para ello, con un balance de energía.

BIBLIOGRAFIA

Operaciones de transferencia de masa – Robert E.treyball (2da edicion) Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot. Operaciones Unitarias en

Ingenieria Quimica. Ed. Mc Graw Hill. 2007. King. C. J. Procesos de Separación. Ed. Mc Graw Hill. 1980. Himmelblau. Manual de Ingenieria Quimica. 2003. Rojas Ruth. Operaciones de Laboratorio.2001. (Tesis) UCSM. www.wikipedia.org. www.monografias.com.

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