DISEÑO DE COLUMNA DE DESTILACIÓN PARA SISTEMA BINARIO
Agámez Salgado Karen Patricia [1], Aguilar Imitola Wendy Gisella [1], Aristizabal Soto Cristian Camilo [1], Briceño Gómez Karilyn Andrea [1], Suárez Useche María Alejandra [1]
Estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico Transferencia de masa I 2016, II RESUMEN Palabras claves: 1. INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Destilación
La destilación, en su forma más simple, es la separación por vaporación de los componentes de una solución que resulta de una diferencia de volatilidad de los componentes, ésta constituye el método más frecuente e importante para la purificación de líquidos y se utiliza siempre para la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando es posible, en la separación de dos o más líquidos.
La destilación de múltiples etapas, puede llevarse a cabo en una columna de pared mojada, la cual consta de un cilindro vertical por el cual fluyen en contracorriente líquido y vapor; la transferencia de masa en este tipo de columnas es muy limitada debido a la restringida superficie que recorren los fluidos. Una forma de obtener una gran transferencia de masa consiste en llevar a cabo la destilación en una torre llena de cuerpos pequeños (empaque) que permiten el contacto continuo e íntimo entre el líquido y su vapor, al desplazarse a través de la misma corriente. En la práctica se utilizan gran variedad de materiales para empacar torres, dentro de los rellenos más conocidos se tienen: anillos rashing, anillos lessing, anillos de partición, empaque tipo silla o silla intalox y el empaque estructurado.
2.2. Torres de Destilación
Una torre de destilación consiste en una estructura cerrada en la cual se lleva a cabo la
separación física de mezclas liquidas en dos o más fracciones. La separación se logra sometiendo el fluido a lo largo de la torre a condiciones específicas de presión y temperatura, de este modo se busca que las fracciones a separar se encuentren en estados diferentes. La fracción más pesada
correspondiente al estado líquido baja por gravedad, mientras que la fracción más liviana en estado gaseoso sube y se condensa en la parte superior. De esta manera se logra un intercambio efectivo entre ambas fases.
Figura 2.2.1. Principio de operación para torre de destilación
Este mecanismo de transferencia se optimiza cuando se maximiza la superficie de contacto entre ambas fases. Para las torres de destilación esto se logra mediante dos tipos de estructuras
mecánicas básicas: estructura de platos y las estructuras de empaques. Es posible encontrar inclusive ambos tipos de estructura en una misma columna dependiendo de su diseño.
2.2.1. Torres de Platos
Los platos son superficies planas que dividen la columna en una serie de etapas y que tiene por objeto retener cierta cantidad del líquido en la superficie, mientras este desciende por la torre a través de rebosadero situados en el extremo de los platos. El gas se desplaza en la dirección contraria es decir hacia arriba y pasa de un planto a la región del plato inmediato superior por medio de unos ductos ubicados en la parte activa de los mismos donde se realiza el contacto entre el líquido que baja y el gas que sube.
Figura 2.2.1.1. Funcionamiento básico para torre de platos
alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor que abandona el plato, lo cual quiere decir que la eficiencia no es 100. Un plato ideal o teórico es aquel en el que se alcanza el equilibrio entre las corrientes que salen del plato.
2.2.2. Torres de relleno o empacadas
Las torres empacadas, son torres de relación diámetro- altura normalmente baja, llenas en su interior con zonas de empaque. Una zona de empaque está compuesta por un agregado de pequeños elementos de empaque que pueden ser metálicos, cerámicos o plásticos y que se acumulan en una región de la torre donde cumplen la función de maximizar el contacto entre el líquido que baja y el gas que sube, ya que suelen ser inertes a las fases circulantes. La corriente del líquido al caer sobre ellos se rompe en pequeñas corrientes y se pone en contacto íntimo con el vapor que circula en el sentido contrario.
Figura 2.2.2.1. Torre empacada y tipos de relleno empelados.
Las torres empacadas se usan generalmente en procesos de destilación al vacío, donde se requieren bajas diferencias de presión. Esta acumulación de las pequeñas estructuras en la zona del empaque puede ser ordenada o desordenada dependiendo de la función que deba cumplir la torre. Hay muchos tipos de empaques o rellenos comerciales y como características primordiales se busca que tengan una elevada área superficial por unidad de volumen, poco peso, buena resistencia mecánica y que los elementos no se compacten entre sí.
En general para las torres de destilación la parte que se sitúa por arriba de la entrada de
alimentación recibe el nombre de sección de rectificación y la parte situada por deja de la misma se conoce como sección de agotamiento. Las torres de destilación están constituidas por tres equipos integrados; un generador de vapor (rehervidor o calderín), un elemento que pone en contacto vapor y liquido (columna de platos o empacada), y un condensador que se encargué de cambiar el calor enfriado por agua o por un refrigerante.
2.3. Tipos de Empaque
a. Empaques desordenados o rellenos: Son unidades o piezas discretas de empaques con una forma geométrica específica, los cuales son vaciados o rellenados aleatoriamente dentro de la columna.
b. Empaque estructurado o sistemáticamente arreglado: Está constituido por capas onduladas de malla tejida (wire mesh) u hojas corrugadas. Este empaque es apilado ordenadamente en secciones dentro de la columna.
c. Rejillas: Son también empaques estructurados, pero en vez de malla tejida u hojas corrugadas están constituidas por una estructura reticular abierta.
2.3.1. Empaques Estructurados
Pueden ser divididos por generaciones. La primera generación son rara vez utilizados en la actualidad. La segunda generación comenzó con los empaques de malla tejida (“wire mesh”) de alta eficiencia tales como Hyperfil de Goodloe y los empaques Koch–Sulzer de malla tejida. La tercera generación comenzó con los empaques de hoja corrugada, primeramente introducidos por Sulzer, los cuales presentan una alta capacidad, menor costo y alta eficiencia.
Figura 2.3.1.1. Ilustración de un empaque estructurado para una columna de relleno.
2.3.2. Empaques Desordenados
Este tipo de relleno son los de uso más común en la práctica comercial. Históricamente pueden ser divididos en tres generaciones. La primera generación produjo dos tipos básicos de formas simples, el Anillo Rasching (a) y la Silla Berl (b), los cuales se han vuelto obsoletos con el paso del tiempo y rara vez son usados en la práctica moderna de destilación.
La segunda generación produjo dos geometrías muy populares, el Anillo Pall (f), el cual evolucionó del anillo Rasching y la Silla Intalox (c), la cual evolucionó de la silla Berl. La tercera generación ha producido una multitud de gerometrías comerciales, la mayoría de las cuales evolucionaron de los anillos Pall y sillas Intalox.
Figura 2.3.2.1. Ilustraciones de los distintos tipos de empaques presentes en las tres generaciones de relleno desordenado.
Este tipo de empaques pueden seleccionarse en distintos tipos de materiales, entre los principales se encuentran:
a. Metales: Los empaques de acero al carbono son considerados como la primera alternativa en la mayoría de los casos cuando la corrosión no representa un problema. No se deberían usar empaques metálicos cuando la velocidad de corrosión sea mayor a 0,25 mm/año. b. Cerámica: Estos son especificados solo cuando se requiera una gran resistencia al ataque
químico y altas temperaturas.
c. Plástico: Debido a sus bajos costos el polipropilenos es el pástico más utilizado cuando las temperaturas de operación no exceden los 120°C. Este tipo de material es frágil a la luz ultravioleta a temperaturas muy bajas.
2.3.3. Diferencias entre Empaques Desordenados y Empaques Estructurados
Capacidad y Eficiencia: Los empaques estructurados muestran ventajas en capacidad y eficiencia comparados con empaques desordenados.
Caída de presión por etapa teórica: Los empaques estructurados tienen una considerable menor caída de presión por etapa teórica que los empaques desordenados.
Inventario de líquido: En aquellas aplicaciones donde se necesite reducir el inventario líquido, se debería preferir el uso de empaques estructurados.
Sensibilidad a problemas operacionales: Los empaques estructurados pueden absorber mejor que los empaques desordenados ya sean incrementos súbitos de presión.
Mantenimiento: Es mucho más fácil inspeccionar un empaque desordenado, ya que inspeccionar dentro de un bloque de empaque estructurado puede dañar el empaque. Costo: Los empaques estructurados cuestan de 3 a 10 veces más por unidad de volumen que los empaque desordenados de 2 pulgadas.
2.4. Funcionamiento
El aparato utilizado en la actualidad en la destilación continua está constituido por tres equipos integrados: un generador de vapor, rehervidor o calderín, un elemento que pone en contacto vapor y líquido, columna de platos o empacada, y un condensador, que es un cambiador de calor enfriado por agua o por un refrigerante.
Figura 2.4.1. Esquema de funcionamiento para una torre de destilación.
La rectificación o destilación continua, con etapas y con reflujo puede considerarse, de forma simplificada, como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de evaporaciones y
condensaciones. Estos fenómenos se llevan a cabo en los platos o charolas de la columna de destilación. Para ello 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. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de vapor (V) y una corriente líquido (L), las que se mezclan para transferir masa y tratar de alcanzar el equilibrio.
No es posible lograr que las corrientes que salen de una etapa estén en equilibrio, de allí que se hable de eficiencia, que es una medida del acercamiento al equilibrio. Los platos reales de una columna tienen eficiencias menores del 100%. Al mezclarse el líquido con el vapor, este último tenderá a ponerse en equilibrio con el primero, condensándose parte del componente menos volátil y evaporándose el más volátil.
Como el proceso consiste en poner en contacto vapor con líquido y la columna no le entra más que la alimentación, el vapor se genera evaporando parte del residuo o fondos, y el líquido, retornando a la columna parte del destilado. La energía para que la torre funcione es
proporcionada por el calor que se introduce en el rehervidor, el cual causa la evaporación de parte del líquido que llega a éste. La corriente de vapor, asciende por la torre condensándose en el enfriador y una parte de ese líquido se regresa – refluja – hacia la columna y otra parte se extrae del domo como destilado o producto.
2.5. Parámetros a tener en cuenta en el Diseño de Torres Empacadas
El diseño de una torre de destilación es necesario tener en cuenta ciertos parámetros, en especial cuando se deseas construir una torre con algún tipo de relleno, a continuación se explican los parámetros más importantes para el diseño.
2.5.1. Altura de la torre (HETP)
El único método que se considera apropiado para determinar la altura requerida del empaque es el de altura equivalente a una tapa teoría (HETP). Existen otros métodos tales como el de altura de una unidad de transferencia (NTU), siendo este mucho más complejo y difícil de usar, adicionalmente se dice que es bastante impreciso si se le compara con el método de HETP.
HETP para empaques desordenados:
Debido a que son pocas las variables que afectan significativamente el valor del HETP, las reglas empíricas pueden ser usadas con mucha confiabilidad. Para empaques desordenados suele usarse la siguiente relación.
HETP pies1,5 dppulg [1]
La ecuación [1], es empleada para anillos pall, o empaques similares de alta eficiencia. También debe cumplirse que HETP ≥ DT (diámetro de la torre); donde DT debe ser menos a 2 pies. En columnas de alto vacio (< 0.15 bar), y donde hay problemas de mala irrigación, estas reglas son bastante precisas, por lo que algunos autores han recomendado sumas (6 pulg) a los valores anteriores debido a la reducida eficiencia de irrigación que se puede presentar en algunos casos.
HETP para empaques estructurados:
Para los empaques estructurados, suele seguirse la siguiente relación. HETP pulg 1200
apft 3
ft24 [2]
De la ecuación [2], es preciso eliminar la constante (4), cuando el ángulo de las ondulaciones es de (45◦). Por lo general la interpolación de datos experimentales es el método más confiable para obtener una altura equivalente a una tapa teórica HETP de diseño, y posteriormente estos datos deben ser comparados con las reglas empíricas y sus ecuaciones.
2.5.2. Otros parámetros a considerar para el diseño
Diámetro: la razón del diámetro de columna a diámetro de empaque debe ser idealmente 30-35X (anillos rasching), 15X (sillas de montar cerámicas), 10X (sillas de montar o anillos plásticos).
Tamaño y tipo de empaque : Generalmente la eficiencia de un empaque aumenta cuando el tamaño del elemento del empaque disminuye (empaque desordenado) o el tamaño del canal se hace más pequeño (empaque estructurado).
Carga liquido/vapor: para una operación estable con una relación L/V generalmente se debe tener en cuenta que estas tienen poco efecto en el HETP de un empaque
desordenado, mientras que en empaques estructurados la eficiencia disminuye con la carga; este efecto es menos pronunciado en empaques estructurados tipo mala tejida y con menos pronunciado en las hojas corrugadas.
Distribución: tano una mala distribución de liquido como de vapor causan una disminución grande en la eficiencia de los empaques.
Presión: generalmente la presión tiene poco efecto en la eficiencia de los empaques al menos por encima de presiones de (0.07-0.14 bar). En destilación a alta presión
(>14.20bar) se ha observado que la eficiencia de los empaques estructurados disminuye con un aumento de presión.
Propiedades físicas: la eficiencia de un empaque es relativamente insensible a las propiedades del sistema. Sin embargo, para los sistemas acuosos, la eficiencia de un empaque estructurado tiende a ser menor que para sistemas no acuosos.
2.6. Distribuidores
El buen funcionamiento de una torre empacada depende no solo del tipo de empaque usado, sino también del diseño efectivo de los internos de la torre. Una distribución adecuada del líquido y el vapor ayuda a proveer el contacto necesario líquido/vapor para obtener la máxima eficiencia del empaque.
2.6.1. Distribución de Líquido
Los tipos más comunes de distribuidores de líquido comerciales se muestran en la Figura 2.6.1.1. Los distribuidores de líquido son usualmente clasificados en distribuidores a presión y
distribuidores por gravedad. En general los distribuidores a presión, proporcionan mayor área abierta para un flujo de vapor dado y tienden a ser menos caros, más livianos, menos robustos y requerir menos tubería conductora que los distribuidores por gravedad.
Figura 2.6.1.1. Distribuidores de líquido más comunes. A) Distribuidor de tubos escalonados; B) Distribuidor anillo perforado; C) Distribuidos spray; D) Distribuidor de bandeja de orificios; E) Distribuidor de túnel de orificios;
F) Distribuidor de ranuras; G) Distribuidor de elevador y vertedero
a. Distribuidores de tubería perforada: Son usualmente del tipo escalera o anillo perforado. Las perforaciones son hechas en el lado inferior de la tubería. El de tipo escalera es usualmente el más fácil de fabricar, y es por lo tanto menos costoso que el de anillo perforado.
b. Distribuidores tipo boquillas rociadoras: Son cabezales de tuberías equipados con boquillas rociadoras en la parte inferior de los tubos. Son más usados en servicios de transferencia de calor y de lavado, y con muy poca frecuencia en fraccionamiento. Los servicios donde estos distribuidores son frecuentes incluyentes; columnas de crudo en refinerías, torres de vacío en refinerías, columnas muy pequeñas y aplicaciones donde se desee una gran capacidad de manejo de vapor.
c. Distribuidores tipo orificio: Son usualmente del tipo bandeja o del tipo túnel. El primer es el más adecuado para torres de pequeño diámetro (<1200 mm), mientras que el tipo túnel se usa para torres de diámetros más grandes (>1200 mm). Estos distribuidores son capaces de manejar altas cargas de líquido, son más caros, más grandes, consumen mayor espacio vertical y son más difíciles de soportar que la mayoría de los demás
distribuidores.
d. Distribuidores tipo vertedero: Son usualmente de tipo vertedero elevador o del tipo bandeja con perforaciones en “V”. El primer tipo es usado comúnmente en columnas de pequeño diámetro (<600 mm), mientras que el último es usado tanto en columnas de mayor diámetro, como en columnas de menor diámetro. Este tipo de distribuidor no son muy usados debido a la interdependencia entre los caudales máximos manejados de vapor y líquido, y los posibles correctivos a este problema originan una mala distribución. 2.6.2. Redistribuidores de Líquido
Los redistribuidores de líquido son usados siempre que una alimentación líquida intermedia sea introducida dentro de una columna empacada, o cuando se requiera de una redistribución de líquido entre secciones empacadas. Existen tres tipos de redistribuidores:
a. Redistribuidor de Orificio: Idénticos a los distribuidores de orificio, bien sea del tipo bandeja o canal, siendo la única diferencia la instalación de sombretes o cintas en los risers de vapor para evitar la entrada de líquido del lecho empacado superior.
b. Redistribuidores de Vertedero: Son idénticos a los distribuidores tipo bandeja con orificios en “V”. Debido a que éstos no pueden recoger el líquido de las secciones superiores, usualmente se requiere de un colector de líquido tal como un plato de chimenea o un plato colector de soporte.
c. Redistribuidores tipo “Rascadores de Pared” (“Wall Wipers”) o “Roseta” (“Rosette”): Consiste de un anillo colector de líquido equipado con satélites cortos que se proyectan hacia el centro de la torre, direccionando de esa manera el líquido que v iene de las paredes hacia el lugar del lecho. Son adecuados únicamente para columnas de pequeño diámetro (menos de 600 a 900 mm).
2.6.3. Distribuidores de Vapor
Los distribuidores de vapor típicamente están ubicados en o encima de la alimentación de vapor, entre secciones con empaques y platos, o encima de una sección de transición donde el diámetro cambia. Los tipos más usados son los siguientes:
Tubería “sparger” (tubería con perforaciones que va sumergida en el líquido, emitiendo el vapor en forma de burbujas).
Distribuidor de vapor (esencialmente un plato tipo chimenea).
Un soporte distribuidor de vapor (una lámina perforada con risers de vapor). 2.6.4. Efectos de la Mala Distribución en el Diseño
Los efectos de una mala distribución son más severos e columnas grandes y empaques de pequeños diámetros. La eficiencia de un empaque puede disminuir por un factor de 2 a 3 debido a una mala distribución. Los lechos de empaques pequeños o estructurados que desarrollan más etapas teóricas por lecho son a su vez más sensibles a una mala distribución que un lecho de la misma profundidad, pero con empaques más grandes. Las columnas con menos de cinco etapas teóricas por lecho son relativamente insensibles a una mala distribución de líquido. Con diez o más etapas por lecho, la eficiencia es extremadamente sensible a mala distribución.
2.7. Soportes de empaque
Los soportes de empaque deben cumplir con las siguientes funciones: Soportar físicamente el empaque.
Proveer suficiente área abierta con el fin de permitir un flujo irrestricto de líquido y vapor.
Evitar la migración descendente de piezas de empaque.
Para evitar la migración descendente de piezas de empaque, las aberturas del soporte deben ser menores al tamaño del empaque. NO se recomienda la práctica de colocar mallas metálicas encima del soporte, pues eso puede reducir el área abierta disponible. Los soportes de empaque más usados son los platos de soporte de inyección de gas, y los soportes tipo parrilla. Otros soportes también usados son empaques estructurados (en torres de vacío) y soportes corrugados (en torres menores de 600 mm de diámetro).
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Realizar el diseño y la construcción experimental de una torre destilación empacada, para un sistema binario de etanol-agua.
3.2. Objetivos específicos
Desarrollar con base a los planteamientos teóricos existentes, los cálculos de las dimensiones de la torre.
Seleccionar el relleno adecuado para maximizar la eficiencia de la torre.
Analizar el comportamiento termodinámico de la mezcla a destilar (etanol-agua). Verificar el estado del sistema, realizando las pruebas del equipo con agua. 4. CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LA TORRE
Para el diseño de la columna de destilación empacada para el sistema Etanol-Agua, es preciso establecer unas presunciones teóricas, bajo las cuales se regirá la operación del sistema.
La composición máxima de purificación que alcanzará la corriente de destilado será de 75% molar en etanol y 25% molar en agua.
La corriente de productos de fondo, alcanzará una composición máxima de purificación de 95% molar para el agua y 5% molar de etanol.
A la torre se alimentará aproximadamente 1kmol/h de una solución de 25% de etanol en agua, este flujo de alimentación se supone ingresara a una temperatura de 30°C y a presión atmosférica
Figura 4.1. Diagrama general para torre de destilación.
El balance global de materia y el balance para el etanol (componente más volátil), pueden ser establecidos tomando como referencia la figura 4.1. Obteniendo las siguientes ecuaciones:
FDB [3]
XFF XDD XBB [4]
Para las anteriores ecuaciones, se tiene conocimiento de las composiciones molares del etanol en cada uno de las corrientes, y del flujo de alimentación que tiene la columna, al reemplazar la ecuación [3] en [4], obtenemos las expresiones que nos permiten calcular los flujos del destilado y de los productos de fondo.
DF XFXB
XDXB [5]
B F XDXF XDXB [6]
Para determinar los valores de D y B, se reemplazan en [5] y [6], los datos de las concentraciones y la alimentación de etanol.
D0,65 kmolh0,250,05
0,750,050,1857 kmolh
B0,65 kmolh0,750,25
0,750,050,4643 kmolh
Para las corrientes de recirculación interna de vapor y liquido, se hace un balance de masa para las unidades del condensador y del rehervidor respectivamente, sin embargo para conocer sus valores es necesario calcular las ecuaciones para las líneas de operación de la torre.
V LD [7] L'BV ' [8]
Línea de alimento
Se parte de la ecuación característica para la línea de alimentación. y ϕ
ϕ1x xF ϕ1 [9]
De la anterior expresión se debe calcular el valor de ϕ , a partir de las condiciones de entrada
(30°C y 25% de etanol). A partir del diagrama T-x-y del sistema binario se observa que la
corriente se encuentra por debajo de la curva de saturación, por lo que esta entra como líquido comprimido. También es posible determinar que la temperatura de saturación a la composición de 0,25 corresponde a la temperatura de saturación de 355,03 K.
Gráfico 4.1. Diagrama T-x-y para el sistema binario Etanol-Agua.
De lo anterior se hace necesario conocer el valor de la fracción líquida ( ∅ ) para lo cual se reescribe la ecuación para el cálculo de ésta en función de las entalpías de saturación de la mezcla en los diferentes estados.
DIAGRA
MA T-x-y
∅HVhF HVhL
HVhF
∆ HvapM [10]
Para el cálculo de la fracción líquido es necesario tomar de la literatura los valores para las diferentes propiedades que presentan los componentes de la mezcla.
Tabla 4.2. Propiedades generales del etanol y agua como sustancias puras.
PROPIEDAD EtanolCOMPONENTESAgua
Temperatura de ebullición [°C] @ 1 atm 78,25 100 Masa molecular [kg/kmol] 46,2684 18,0148
Calor específico [J/kg°C] 2,42066 4180 Calor latente de vaporización [J/kg] 841000 2260000
Densidad [kg/m3] 789 995,71 @ 30°C A partir de estas propiedades se determina:
Calor latente de vaporización de la mezcla.
∆ HvapM∆ HetaMetaXF∆ HaguaMagua1XF [11] ∆ HvapM841000 Jkg 46,27 kgkmol 0,252260000 Jkg 18,015 kgkmol 10,25 ∆ HvapM40263017,1 Jkmol
Calor específico de la mezcla.
CpMezCpetaMetaXfCpaguaMagua1 XF [12]
CpMez2,42066 J kg ℃ 46,3684 kgkmol 0,254180 J kg ℃18,014 kgkmol 1XF CpMez56504,398 J kmol ℃
Entalpía de saturación de la mezcla en líquido. hLCpMezTsatTref [13]
hL4635055,77 J kmol
Entalpía de la corriente de alimentación. hFCpMezTFTref14
hF56504,398 J kmol ℃ 30 ℃0 ℃ hF1695131,94 J kmol
Entalpía de saturación de la mezcla en vapor. Hv∆ HvapMhL15 Hv4026317,1 J kmol4635055,77 J kmol Hv44898072,8 Jkmol Fracción líquida. ∅ HvhF ∆ HvapM 4489072,8 J kmol1695131,94 Jkmol 4026317,1 J kmol ∅1,0730118
A partir de estos cálculos es posible obtener la ecuación para la línea de alimentación a partir de la ecuación [9]. y 1,073018 1,0730181X 0,25 1,0730181 y14,69526 X3.4238147
Para la operación de la sección de rectificación es necesario determinar el reflujo, para esto se debe conocer la fracción de reflujo mínimo a la que trabajará la torre. Se traza la curva de equilibrio para el sistema binario y desde la coordenada (0,75 – 0,75) se traza un línea recta,
tangente a la curva. Al proyectar esta línea se encuentra el corte con el eje de las abscisas y este punto indicará la fracción de reflujo mínimo la cual es de 0,45.
Tabla 4.3. Composiciones para el equilibrio termodinámico en un sistema binario etanol-agua a 1 atm.
A parir de la ecuación para la línea de rectificación es posible determinar el reflujo mínimo a partir del corte o intercepto que se obtuvo con el eje de las abscisas.
yn Rmin Rmin1 Xn XD Rmin1 16 Cortemin XD Rmin1 17
Cálculo del reflujo mínimo Rmin XD
Cortemin 1 17. a
Rmin0,4550,75 10,648
NOTA: Se establece a partir del reflujo mínimo y la fracción de reflujo un reflujo (R = 3), es decir que el destilado producido o que tres veces el destilado producido será recirculado,
Línea de rectificación:
La ecuación característica para esta línea corresponde a la siguiente. ynR1R Xn1
XD R118
Reemplazando el valor del reflujo y lo parámetros ya conocidos, la expresión para la línea de rectificación queda. yn 3 31Xn1 0,75 31 yn0,75 Xn0,1875 Línea de agotamiento:
La ecuación característica para la línea de agotamiento corresponde a la siguiente. ymL'
V ' Xm1 XBB
V' 19
Para determinar la expresión de esta línea es necesario conocer los valores de V’ y L’ por lo que se recurre a los balances planteados en las ecuaciones [5] y [6]. Al reescribir estas expresiones se tiene.
L'LφF 20 V V'1φ F 21
También se hace necesario emplear la relación de reflujo dada por. RL
D22
Reemplazando en la ecuación [22] se obtiene.
L3 0,1857 kmolh0,5571 kmolh
Una vez obtenido el valor de L, éste se reemplaza en la ecuación [20], para así obtener el valor de L’.
L'0,5571kmolh1,073018 0,65 kmolh L'1,2546 kmolh
Conociendo el valor de L’, se emplea la siguiente relación, para posteriormente calcular el valor de V’.
L'BV'
V'1,2546 kmolh0,46428 kmolh V'0,79032 kmolh
Finalmente una vez obtenidos todos los flujos internos, es posible determinar la expresión para la línea de agotamiento, reemplazando estos valores en la ecuación [19].
ym 1,2546 kmolh 0,79032 kmolhXm1
0,05 0,46428 kmolh 0,79032 kmolh ym1,587467 Xm10,029373
Una vez determinadas todas las líneas de operación (alimentación, rectificación y agotamiento) se trazan en un mismo diagrama para así conocer el número de platos teóricos con los que contará la columna de destilado.
Al efectuar el trazado de los platos se obtiene un total de 5 platos + 1 rehervidor y el alimento se ingresa en el plato 5.
Para conocer el número real de platos se decide que la eficiencia con la que trabajará la torre es de 82,8%. Por ende, se emplean las siguientes ecuaciones.
NPRNPT ε 23
NPR 5
0,8286,038 ≅61rehervidor
Altura del relleno:
Con base a los platos calculados, es posible determinar la altura del relleno para la torre
empacada, sin embargo es necesario conocer el material que se utilizará como relleno y el valor del HETP para el mismo.
Tabla 4.4. Tipo de relleno y diámetro del mismo.
MATERIAL DP
Como el relleno se ubicará de forma desordenada se hace uso de la ecuación [1] para calcular el valor del HETP para éste.
HETP pies1,5 dppulg
HETP pies1,5 0,11023 pulg0,1653 ft
HETP pies5,04 cm≅ 5 cm
Una vez conocidas las HETP es posible calcular la altura de la torre por medio de la siguiente relación.
H HETP × N ° Platos 24
H5 cm6 platos30 cm
Para obtener la posición de introducción del alimento se multiplica el HETP por el número de platos antes del plato de alimento.
Halimento5 cm 4 platos20 cm
Diámetro de la torre:
Para determinar el diámetro de la torre se hace uso de las relaciones indicadas en el inciso 3.4.3. del presente trabajo, donde para anillos Rashing se tiene que el diámetro de la torre debe
corresponder a 30-35 veces el diámetro del rellno, por lo que se tiene. Dtorre35 0,28 cm9,8 cm≅ 10 cm
Diseño de la torre:
Finalmente se obtiene para el diseño de la columna de destilación con relleno de anillos rashing las siguientes especificaciones.
Altura de la Torre 70,0 cm
Diámetro de la Torre 10,0 cm
Altura del Relleno 30,0 cm
Sección de Rectificación 20,0 cm Sección de Agotamiento 10,0 cm
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1. Materiales
kkk
5.2. Construcción de la torre de destilación empacada hhh
6. CONCLUSIONES
7. RECOMENDACIONES
8. REFERENCIAS
[1].G. Puerta, D. Sedano, S. Tolentino. Columnas de destilación. Universidad Nacional del Callao (2007).
[2].Distillation Design, Henry Z. Kister. Mc. Graw Hill, N.Y. 1992. [3].Prácticas de Diseño de PDVSA, 1986.
[4].Handbook of Chemical Engineering Calculations, Brittish Petroleum, Mayo 1981. [5].Distillation Operations, Henry Z. Kister. Mc. Graw Hill, N.Y. 1990.
[6].PDVSA. Torrs de destilación empacadas. Manual de diseño de proceso. PDVSA MDP– 04–CF–07 (1997).
[7].K. Calderón, D. Luna. Diseño y problemas operacionales de torres empacadas en plantas deshidratadoras de gas con Glicol. Universidad Industrial de Santander (2007).