Destilación

Química. Molar. Moles. Composición

  • Enviado por: Miguel Federico Talalay
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
  • 19 páginas

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Problema Nº 1

Destilación flash

Una mezcla de composición molar 45 % de benceno y 55 % de tolueno, es sometida a destilación flash a una presión de 1 atm. Si denominamos f a la fracción de moles de alimentación que se vaporizan y abandonan el equipo representar las siguientes variables en función de f:

  • La temperatura de vaporización

  • La composición del líquido que sale del separador vapor-líquido

  • La composición del vapor que sale del separador vapor-líquido

  • Los datos de equilibrio a 1 atm figuran en la tabla siguiente:

    Fracción molar de benceno

    Temperatura

    °C

    x

    y

    1.00

    1.00

    80.3

    0.94

    0.98

    81.4

    0.86

    0.94

    83.2

    0.78

    0.90

    85.0

    0.70

    0.85

    86.9

    0.62

    0.80

    89.0

    0.50

    0.71

    92.2

    0.455

    0.67

    93.7

    0.41

    0.63

    95.0

    0.365

    0.585

    96.5

    0.325

    0.54

    97.7

    0.290

    0.50

    99.0

    0.18

    0.34

    102.9

    0.10

    0.21

    106.2

    0.06

    0.13

    107.9

    0.00

    0

    110.4

    Solución:

    Gráfica de Equilibrio

    'Destilación'

    Balances de masas

    1)

    2)

    Realizando los artificios matemáticos correspondientes, se obtiene:

    Línea de Operación

    Denominamos (Pendiente de la Recta)

    Para distintos valores de de m, obtenemos la siguiente tabla

    f

    x

    y

    m

    Teb (mezcla)

    0

    0,45

    0,675

    ð

    93,5

    0,2

    0,4

    0,635

    4

    95

    0,4

    0,36

    0,59

    1,5

    96

    0,6

    0,325

    0,545

    0,66

    97,5

    0,8

    0,29

    0,5

    0,25

    99,5

    1

    0,205

    0,45

    0

    102

    x,y en función de f

    T en función de f

    Problema Nº 2

    Se necesita separar parcialmente por destilación una mezcla de benceno tolueno de composición x0= 0.57 en moles de benceno. La alimentación ingresa al equipo de destilación as 30 °C. Se verifica un pasaje al estado de vapor del 45 % de la alimentación. Determinar:

  • las composiciones de líquido residual y vapor generado.

  • La temperatura a la que se efectúa la operación.

  • La cantidad de calor necesaria para realizar la operación.

  • En la tabla 1 se presentan los valores de equilibrio.

    Solución:

    Gráfica de Equilibrio

  • Las composiciones del destilado y del fondo son:

  • Del gráfico se obtiene

    • En el Destilado: el 69 % es de benceno y el 31 % es de Tolueno.

    • En el Fondo: el 47 % es de benceno y el 53 % es de Tolueno.

  • La temperatura de operación es de 93º C

  • Calor necesario para realizar la operación:

  • Datos

    Kcal/(Kg*ºC)

     = Kcal/Kg

    PM (Kg/Kmol)

    Benceno

    0.43

    90

    78

    Tolueno

    0.46

    92

    93

    Problema Nº 3

    Una mezcla posee la siguiente composición en fracción molar: 0.38 n-hexano, 0.42 n-heptano y el resto consisten en n-octano. Por destilación flash a 1 atm se logra evaporar el 62.5 % de la alimentación. Se desea determinar:

  • La temperatura de operación en el separador

  • La composición de la fracción vaporizada.

  • La composición del líquido residual.

  • Solución:

    Se construye la siguiente tabla:

    T

    K6

    K7

    K8

    X6

    X7

    X8

    Y6

    Y7

    Y8

    "X

    "Y

    170

    1,30

    0,52

    0,24

    0,35

    0,54

    0,38

    0,46

    0,28

    0,09

    1,28

    0,83

    180

    1,50

    0,61

    0,28

    0,32

    0,50

    0,36

    0,48

    0,31

    0,10

    1,19

    0,89

    190

    1,70

    0,73

    0,35

    0,29

    0,46

    0,34

    0,50

    0,33

    0,12

    1,09

    0,95

    200

    1,90

    0,89

    0,40

    0,27

    0,41

    0,32

    0,51

    0,36

    0,13

    1,00

    1,00

    210

    2,30

    1,00

    0,50

    0,23

    0,38

    0,29

    0,53

    0,38

    0,15

    0,90

    1,06

    220

    2,60

    1,20

    0,57

    0,21

    0,34

    0,27

    0,55

    0,41

    0,16

    0,82

    1,11

    Se construye el siguiente Gráfico

    Resultados

    Temperatura de separación

    Composiciones de la fracción vaporizada y del líquido residual

    Problema Nº 4

    Destilación diferencial o abierta

    Un total de 100 Kmol/h de composición 70 % de heptano y 30 % de octano debe separarse en un equipo de destilación diferencial que opera a 20 psia. ¿Cual será la composición de cabeza, cuando el 80 % de los moles se hayan vaporizado?

    T °F

    K C7

    K C8

    xC7

    yC7

    228

    1,000

    0,441

    230

    1,020

    0,460

    240

    1,200

    0,550

    250

    1,350

    0,650

    260

    1,550

    0,755

    270

    1,780

    0,860

    280

    2,000

    1,000

    Solución:

    Se tiene que Cumplir que

    Tabla de Valores

    T (ºF)

    K7

    K8

    

    X7

    Y7

    1/(y-x)

    228

    1

    0,441

    2,268

    1,000

    1,000

    -

    230

    1

    0,46

    2,217

    0,964

    0,984

    51,85

    240

    1,2

    0,55

    2,182

    0,692

    0,831

    7,22

    250

    1,35

    0,65

    2,077

    0,500

    0,675

    5,71

    260

    1,55

    0,755

    2,053

    0,308

    0,478

    5,90

    270

    1,78

    0,86

    2,070

    0,152

    0,271

    8,42

    280

    2

    1

    2,000

    0,000

    0,000

    -

    Gráfica

    Cálculo del área por aproximación mediante triángulos y rectángulos

    Área 1

    Área 2

    Área 3

    Área acumulada = 1.618, que es aproximado al valor 1,609

    Para este valor de área, le corresponde un valor de (Composición de Heptano en el Fondo)

    (Composición de Heptano en el Destilado)

    (Composición de Octano en el Fondo)

    (Composición de Octano en el Destilado)

    Problema Nº 5

    Si la volatilidad relativa de la mezcla heptano-octano del problema 4 puede considerarse constante realizar el cálculo de la composición del líquido de fondos aplicando la ecuación

    ln(F/B) = 1/(ðððð ð ( (xF /xB ). (1- xB ) / (1- xF) )+ ln ((1- xB )/(1- xF))

    Solución:

    Denomino la función

    Donde (valor promedio del ejercicio anterior) y

    Debo encontrar el valor de en donde se cumple la condición

    Tanteo

    x(B)

    0,429

    1,652

    0,43

    1,646

    0,431

    1,641

    0,432

    1,636

    0,433

    1,630

    0,434

    1,625

    0,435

    1,620

    0,436

    1,614

    0,437

    1,609

    0,438

    1,603

    0,439

    1,598

    0,44

    1,593

    Problema Nº 6

    Una mezcla de benceno tolueno de composición 0.45 en fracción molar de benceno se somete a destilación diferencial a presión atmosférica. Cuando se destila el 70 % de los moles iniciales, se detiene la operación. Calcular:

  • La concentración del vapor separado.

  • La composición del líquido residual

  • Considerar que la volatilidad relativa es constante e igual a 2.45.

    Solución:

    Tomamos como base de cálculo 'Destilación'

    Debo encontrar el valor de en donde se cumple la condición

    Tanteo

    x(B)

    Función

    0,191

    1,2430

    0,192

    1,2373

    0,193

    1,2317

    0,194

    1,2260

    0,195

    1,2204

    0,196

    1,2147

    0,197

    1,2091

    0,198

    1,2035

    0,199

    1,1979

    0,200

    1,1924

    0,201

    1,1868

    0,202

    1,1813

    Problema Nº 7

    Rectificación

    Se desea separar una mezcla líquida de benceno-tolueno en una torre fraccionadora que opera a 101300 Pa de presión. La alimentación de 100 Kmol/h es líquida y contiene 45% mol de benceno y 55 % mol de tolueno, ingresando a una temperatura de 54.6 °C. El destilado deberá contener 95% de benceno y 5% de tolueno y el producto de fondo 10% de benceno y 90 % de tolueno. La relación de reflujo es 4:1. Determinar:

  • Las corrientes de destilado y fondo

  • El número de platos teóricos

  • La posición del plato de alimentación.

  • Datos de equilibrio

    ts

    x

    y

    80.1

    1.000

    1.000

    85

    0.780

    0.900

    90

    0.581

    0.777

    95

    0.411

    0.632

    100

    0.258

    0.456

    105

    0.130

    0.261

    110.6

    0.000

    0.000

    Capacidad calorífica promedio de la alimentación de 159 KJ/Kmol

    Calor latente de vaporización promedio 32099 KJ/Kmol.

    Solución:

    Datos

    Balances

    'Destilación'

    Equilibrio

    x

    y

    1

    1

    0,78

    0,9

    0,581

    0,777

    0,411

    0,632

    0,258

    0,456

    0,13

    0,261

    0

    0

    Gráfica

    El número de platos teóricas es de aproximadamente 6,5

    La posición óptima del plato de alimentación es el 5º Plato

    Problema Nº 8

    Una solución metanol(A)-agua(B) de composición 50% p/p de metanol, se somete a rectificación continua. La corriente de ingreso consiste en 7,5 tn/h de solución que ingresan a la temperatura de saturación (p.b). Como producto de cabeza se desea obtener una corriente que contenga 95 % de metanol p/p y una corriente de fondos con 1% de metanol p/p. El vapor de cabeza se condensa totalmente hasta un líquido y el reflujo retorna a la columna a la temperatura de burbuja. El producto destilado se enfriará por separado para su almacenamiento. La relación d reflujo a utilizar será de 1.5 Rmín. Determinar:

  • El número mínimo de etapas teóricas.

  • La relación de reflujo mínima.

  • Las cantidades de calor transferidas en reboiler y el condensador para la condición mínima.

  • Las corrientes de cabeza y fondo para las condiciones operativas.

  • El número real de etapas teóricas.

  • Las cantidades de calor transferidas en el reboiler y el condensador para la condición operativa.

  • El reflujo interno entre el segundo y el tercer plato desde la cabeza del equipo.

  • Los datos dE equilibrio se consignan a continuación:

    x

    y

    Hl f(x)

    KJ/Kmol

    Hv f(y)

    KJ/Kmol

    0.0

    0.0

    7300

    47000

    0.1

    0.42

    5500

    46000

    0.2

    0.58

    4500

    44800

    0.3

    0.66

    4300

    43000

    0.4

    0.73

    4000

    42900

    0.5

    0.78

    4100

    42100

    0.6

    0.82

    4000

    41600

    0.7

    0.87

    4200

    41000

    0.8

    0.91

    4500

    40000

    0.9

    0.96

    4700

    39000

    1.00

    1.00

    4800

    38000

    Solución:

    'Destilación'

    'Destilación'

    De los Gráficos

    Nº Mínimo de etapas teóricas: 5 Etapas

    Nº de Etapas Teóricas (Cond. Operativa): 9 Etapas

    Problema Nº 9

    Considerando que la curvas de entalpía vapor líquido corresponden a una solución de comportamiento ideal, resolver el problema anterior aplicando el método de McCabe-Thiele.

    Datos necesarios:

    Calor latente vaporización a la temperatura de pto de burbuja alimentación: Metanol = 1046.7 kJ/Kg Agua=2284KJ/Kg, Calores específicos: Metanol = 2,721 KJ/Kg°K ,Agua = 2.284 KJ/Kg°K, Solución = 3.852 KJ/Kg°K

    Determinar:

  • Corrientes de cabeza y fondo

  • La relación de reflujo mínima.

  • Número de platos teóricos

  • La posición del plato de alimentación

  • Solución:

    'Destilación'

    Nº de platos teóricos = 9

    Posición del plato de alimentación = 5

    Problema Nº 10

    Con la información obtenida en la resolución del problema 7- mezcla de benceno -tolueno, determinar:

  • El número de platos reales si la eficiencia global de la torre es Eo= 0.675

  • El número de platos reales si la eficiencia de Murphree puede relacionarse con:

  • x

    EMG

    1.000

    0.66

    0.780

    0.68

    0.581

    0.71

    0.411

    0.70

    0.258

    0.66

    0.130

    0.61

    0.000

    0.52

  • El diámetro de la columna si : velocidad vapores= 0.9m/s, distancia entre platos 60cm, altura de cierre 25mm.

  • La altura de la columna para el caso a y b.

  • Datos:

    ð= [ ( 4. V . 22.4 . (273 + t). 760) /(ð . c . 3600 . p . 273 )]

    donde: Diámetro ð (m)

    t= temperatura media de los vapores (°C)

    p= presión media absoluta (mmHg , at. Pa)

    c= velocidad e los vapores (m/s)

    V= caudal de vapor (Kmol/h)

    c= K x [ (ρl -ρv) / ρl]0.5

    ρl = densidad líquido

    ρv = densidad vapores

    K = coeficientes función de altura de cierre y distancia entre platos. Ver tabla.

    Solución:

    x

    y*

    EMG

    yn+1

    y*-yn+1

    yn

    1

    1

    0,66

    -

    -

    -

    0,78

    0,9

    0,68

    0,805

    0,095

    0,8696

    0,581

    0,777

    0,71

    0,635

    0,142

    0,73582

    0,411

    0,632

    0,7

    0,475

    0,157

    0,5849

    0,258

    0,456

    0,66

    0,285

    0,171

    0,39786

    0,13

    0,261

    0,61

    0,105

    0,156

    0,20016

    0

    0

    0,52

    -

    -

    -

    Nº de platos reales = 11

    Problema Nº 11

    Destilación de multicomponentes

    Una corriente líquida de composición 1.36% C3H8 , 14.33% i -C4H10 , 16.37 % n -C4H10 , 15.66% i -C5H12, 17.88 % n -C5H12 y 34.40 % n -C6H14, se someterá a destilación para obtener un producto de cabeza que contenga el 95 % del n- C4H10 alimentado y un producto de fondos que contenga el 98 % de los moles alimentados de i -C5H12. Si la columna opera a 1.70 atm. Determinar: a) el mínimo número de platos para lograr la separación. b) la composición más probable del destilado y el fondo, c) el reflujo mínimo, d) el reflujo operativo y el número actual de etapas si Sm/S = 0.2 a 0.7 e) la ubicación del plato de alimentación.

    Solución:

    *) Componente clave liviano (n-butano)

    16.37 * 0.95 = 15.55 mol n-butano ! destilar

    16.37 - 15.55 = 0.82 mol n-butano ! fondo

    *) Componente clave pesado i-pentano

    15.66 * 0.98 = 15.35 mol i-pentano ! destilar

    15.66 - 15.35 = 0.31 mol i-pentano ! fondo


    Comp.

    xF

    xD

    K60

    xD/K60

    K40

    xD/K40

    C3

    1.36

    1.36

    3.9

    0.35

    3

    0.45

    i-C4

    14.33

    14.33

    1.45

    9.88

    1

    14.33

    n-C4

    16.37

    15.55

    1.01

    15.40

    0.7

    22.21

    i-C5

    15.66

    0.31

    0.38

    0.82

    0.24