5 Ejemplo 4_3 Wankat.ppsx

Instituto Tecnológico de Toluca

Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Procesos de Separación III

M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda [email protected]

Unidad 1.

Destilación

Ejemplo 4-3 (Wankat)

Una columna de destilación con un condensador total y un vaporizador parcial separa una mezcla de etanol-agua. La alimentación es 1000 kgmol/h a 80°F y contiene 20% mol de etanol. Se desea que el destilado contenga 80% mol de etanol y los fondos 2% mol de etanol. La relación de reflujo externo es 5/3. El reflujo regresa como líquido saturado y se puede suponer derrame molal constante. Calcule el lugar óptimo del plato de alimentación y número de etapas de equilibrio necesarias. La presión es 1 atm. F=1000 kmol/ h 80°F z=0.20 D

x_D=0.80

B

x_B =0.02 P=1 atm Q_R Q_C V₁ L₀

Ecuaciones del método McCabe

Línea de operación superior (L.O.S.)

Línea de operación inferior (L.O.I.)

Línea de alimentación (línea q)

y

=

L

V

x

+

(1

-L

V

)

x

y

=

L

V

x

-L

V

-

1

æ

è

ç

ö

ø

÷

x

y

= -

L

V

x

+

F

V

z

y

= -

1

-

f

f

æ

è

ç

ö

ø

÷

x

+

1

f

z

y

= -

q

1

-

q

x

+

1

1

-

q

z

q

=

L

-

L

F

=

1. Trazar línea de operación superior

(L.O.S.)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1. Trazar línea de operación superior

(L.O.S.)

Calcular la pendiente de la L.O.S. o en su defecto, su ordenada al origen:

𝑚𝐿𝑂𝑆=_𝑉𝐿

Del balance de masa en el condensador:

𝑉=𝐿+𝐷

Dividiendo entre D:

𝑚𝐿𝑂𝑆=_𝐿𝐿

+𝐷

Sustituyendo en la pendiente:

𝑚𝐿𝑂𝑆=

𝐿 𝐷 𝐿 𝐷+ 𝐷 𝐷

𝑚𝐿𝑂𝑆=

𝐿 𝐷 𝐿 𝐷+1

Por lo tanto:

𝑚_𝐿𝑂𝑆=

5 3 5 3+1

𝑚𝐿𝑂𝑆=5₈=0.625

𝑚𝐿𝑂𝑆=

∆ 𝑦

∆𝑥

∆𝑦=𝑚_𝐿𝑂𝑆∆𝑥

∆𝑥=0 .4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

1. Trazar línea de operación superior

(L.O.S.)

De forma alternativa, se puede calcular la ordenada al origen (x=0)

𝑦= 𝐿

𝑉 𝑥+

(

𝑉

)

𝑦= 𝐿

𝑉 (0)+

(

𝑉

)

𝑦=

(

𝑉

)

𝑦=

(

8

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

2. Trazar línea de alimentación (línea

q)

Deberá calcularse el valor de q:

Para utilizar el diagrama de Ponchon de que se dispone es necesario transformar la fracción mol de la alimentación a fracción masa:

𝑧= (0.2) (46)

(0.2) (46)+(0.8) (18)

𝑧

=

0.389

≈

0.39

q

=

L

-

L

F

=

2. Trazar línea de alimentación (línea

q)

Calcular las entalpías de la alimentación (39%w, 80°F) y de las corrientes internas V (39%w, vapor saturado) y L(39%w, líquido saturado) que están involucradas en el plato de alimentación.

h_𝑓=h_𝑓 (0.39,80° 𝐹)

𝐻=𝐻(0.39,𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜)

h=h(0.39,𝑙í 𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜) _f

F

z_F h_F H_f

y_f

h_f-1 x_f-1

H_f+1

y_f+1 h_xf

f

V

L

L

V V

hf = 12 .5 k c al /k g H = 4 91 .6 6 k ca l/ kg h = 75 k c al /k g

Observe que la alimentación entra

como líquido subenfriado 80°C=26.66°C

2. Trazar línea de alimentación (línea

q)

Con los valores anteriores se puede calcular el valor de q:

h_𝑓=h_𝑓

(

)

𝑘𝑔

𝐻=𝐻(0.39,𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜)=491.66 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

h=h

(

)

𝑘𝑔

𝑞=𝐻− h𝑓

𝐻− h

𝑞=491.66−12.5

491.66−75

𝑞

=

1.15

𝑚=− 𝑞

1−𝑞 = 𝑞 𝑞−1

𝑚=− 1.15

1−1.15

𝑚

=

7.66

La línea de

alimentación pasa por el punto x=y=z de

pendiente 7.66

𝑚𝑎𝑙𝑖𝑚=

∆𝑦

∆𝑥

∆ 𝑦=𝑚_{𝑎𝑙𝑖𝑚}∆𝑥

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 q=1 (Líquido saturado) q=0 (Vapor saturado) 0<q<1 (Mezcla saturada) q>1 (Líquido subenfriado q<0 (Vapor sobrecalentado) Recuerde la ubicación de la

línea q de acuerdo a su

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

X_D=0.8

3. Trazar línea de operación inferior

(L.O.I.)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x_D=0.8

z=0.2

4. Trazado de etapas de equilibrio

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x_D=0.8

z=0.2

x_B=0.02

R 1

2

3

4 5

6 78 9

101112 13

13 platos y un rehervidor parcial (R_libro= 12 platos y 1

rehervidor parcial)