6/07/2015

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICALABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

CALCULO REFLUJO MINIMO TORRE DE DESTILACION

Guillermo Ramírez, Javier Díaz, Aimeth P. Serrano, Robinson Cañas. 1

ResumenMediante el equipo de destilación automatizado del LOUUA se toman datos como temperaturas, flujos y composiciones de una mezcla etanol agua, en la cual se pretende separa sus componentes lo más puros posible, se esquematizara el diagrama Ponchon Savarit, además con los datos obtenidos se procede a hallar la relación mínima de reflujo para el proceso

Palabras claves: destilación, reflujo, diagrama Ponchon Savarit.

Abstract Using the automated equipment of distillation of the LOUUA are taken data such as temperatures, flow and compositions of a blend ethanol water, in which aims to separate components the purest possible, is outlines the diagram Ponchon Savarit, in addition with the data obtained proceeds to find the minimum ratio of reflow process

Key words: distillation, reflux, diagram Ponchon Savarit.

Objetivo

Determinar y medir experimentalmente las variables necesarias que permiten: a) esquematizar el diagrama Ponchon Savarit y b) hallar la relación mínima de reflujo de la torre de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad de Antioquia (LOUUA) empleando una solución de etanol.

Introducción

La destilación es un método para separar los componentes de una solución; depende de la distribución de las sustancias entre una fase gaseosa y una líquida, y se aplica a los casos en que todos los componentes están presentes en las dos fases. En vez de introducir una nueva sustancia en la mezcla, con el fin de obtener la segunda fase (como se hace en la absorción o desorci6n de gases) la nueva fase se crea por evaporación o

1 Guillermo Ramírez: aspartato@gmail.com, estudiante de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia.Robinson Cañas: robinsoncanas0792@gmail.com, estudiante de Ingeniería Química, Universidad de AntioquiaAimeth P. Serrano: searpail_@hotmail.com, estudiante de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia

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condensaci6n a partir de la solución original.

Con objeto de aclarar la diferencia entre la destilación y las otras operaciones, se va a citar algunos ejemplos específicos. Cuando se separa una solución de sal común en agua, el agua puede evaporarse completamente de la solución sin eliminar la sal, puesto que esta última, para todos los fines prácticos, casi no es volátil en las condiciones predominantes. Esta es la operación de evaporación.

Por otra parte, la destilación se refiere a separar soluciones en que todos los componentes son apreciablemente volátiles. A esta categoría corresponde la separación de los componentes de una solución líquida, de amoniaco y agua. Si la solución de amoniaco en agua se pone en contacto con aire, el cual es básicamente insoluble en el líquido, el amoniaco puede desorberse, pero entonces el amoniaco no se obtiene en forma pura, porque se mezcla con el vapor de agua y el aire. Por otra parte, aplicando calor, es posible evaporar parcialmente la solución y crear, de esta forma, una fase gaseosa que consta únicamente de agua y amoniaco. Y puesto que el gas es más rico en amoniaco que el líquido residual, se ha logrado cierto grado de separación.

Mediante la manipulaci6n adecuada de las fases, o mediante evaporaciones y condensaciones repetidas, es generalmente posible lograr una separación tan completa como se quiera y recobrar, en consecuencia, los dos

componentes de la mezcla con la pureza deseada. (Treybal, 1988)

Metodología y modelo de cálculo

Balances de masa

Los balances de materia se plantean teniendo en cuenta las cantidades de ambas sustancias presentes en el flujo de alimentación (F), en el destilado (D) y en la corriente de los fondos (W):

F z F−W zW=D z D ( Eq .1 )

Donde z es la fracción de agua o de etanol en la corriente correspondiente.

Método de Ponchón y Savarit

Las regresiones que relacionan la lectura del refractómetro y la fracción volumétrica de alcohol se muestran a continuación (Gráficas T. Masa II):

El método de Ponchon y Savarit utiliza dos diagramas: El diagrama de equilibrio y el diagrama de entalpías. Estos pueden obtenerse usando un software (ASPEN, PRO II) al que se ingresan las condiciones de operación (Presión,

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composiciones, flujos y sustancias). Adicionalmente, el método usa dos puntos de diferencia ∆D y ∆W, los cuales se calculan para la zona de enriquecimiento y empobrecimiento. Las coordenadas del punto ∆D corresponden a (zD, Q’), que corresponden respectivamente a las moles netas salientes de Etanol respecto a las moles netas salientes, y al calor neto saliente respecto a las moles netas salientes. Similarmente, las coordenadas del punto del punto ∆W son (zW, Q’’), que son las moles salientes de Etanol respecto a las moles netas salientes, y el calor neto saliente respecto a las moles netas salientes.

1. Para la zona de empobrecimiento, el calor que sale de la torre por el fondo se define como:

Q' '=Hw−QB

W(Eq . 2)

QB es la cantidad de calor que se transfiere al rehervidor, la cual es una cantidad conocida e igual a 3615 W. W es el flujo molar de los fondos. Hw es la entalpía de la corriente que sale por los fondos. Como esta corriente es líquida, dicha entalpía se calcula como:

Hw=Cw (T w−T 0 ) PM av ,w+∆ H s(Eq .3)

Donde Cw es la capacidad calorífica respecto a unidades másicas, Tw es la temperatura de burbuja de los fondos, To

es la temperatura de referencia, PMav,W es el peso molecular promedio de los fondos y ∆Hs es la entalpía de mezclado.

2. Para la zona de enriquecimiento, se parte de un balance de energía en la torre, despreciando las pérdidas de calor:

F H F+QB=W HW+D H D+QC (Eq. 4)

Despejando Qc:

QC=F HF+QB−W H W−D HD (Eq .5)

Donde D es el flujo del destilado y HD su respectiva entalpía, F es el flujo de alimentación, HF es la entalpía de dicha corriente y se calcula dependiendo del estado en el que ingrese la corriente a la torre (líquido, líquido-vapor, vapor). Por ejemplo, si la corriente es líquida:

H F=CF (T F−T0 ) PM av, F+∆ H s (Eq. 6)

En este caso Tf es la temperatura a la cual la solución entra a la torre luego de ser precalentada. Esya temperatura se calcula haciendo un balance de entalpía en este intercambiador de calor:

F CF (T f −T ¿)=W CW (T bubble−TW ) (Eq. 7)

Adicionalmente se pueden relacionar las corrientes del destilado y que sale del condensador a través de la siguiente ecuación:

L0=R · D (Eq. 8)

Luego de calcular el valor del calor que se transfiere en el condensador a través de la ecuación 5, se calcula el valor de Q’:

Q'=Qc

D+H D (Eq. 9)

Cálculo del reflujo mínimo

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Para una corriente que se alimenta como líquido saturado, se usa la ecuación de Underwood para calcular el reflujo mínimo:

Rm= 1α−1 [ x D

xF

−α(1−xD)

1−xF](32)

Donde α es la volatilidad del etanol respecto al agua.

Datos, cálculos y resultados

Tabla 1. Datos tomados de la torre de destilación

Parámetro Tiempo (min)0 10 20 30 40 45 50 55

Talimentacion 22,3 22,5 22,9 23,4

23,3 23,6 24,7 27,2

flujo (L/h) 20 20 20 20 20 20 20 20Trehervidor 66,2 80,2 94,2 94 94,4 94,1 93,8 93,3

T1 22,7 79,4 83,7 84,3

84,6 84,5 84,2 84,1

T2 22,3 83,8 83,7 84,3

84,4 84,3 84 83,9

T3 22,5 85,4 85,1 85,7

85,7 85,6 85 85,3

T4 22,4 87,1 85,9 86,3

86,2 85,9 85,5 85,7

T5 22,2 89 86,4 86,9

86,7 86,3 86,5 86,2

Tvapor condensado 23,3 77,6 79,1 80,2

81,3 79,3 79,5 80,9

Tliquido condensado 23,3 24,3 32,9 36,6

43,4 46 56 75

Treflujo 23,6 23,9 24,6 25,5

26,2 26,5 26,8 27

concentración condensados (%V/V)

78 76 80 81 81

concentración colas (%V/V) 14 18 19 20 20

Tabla2. Datos de operación de la torre

Relación de reflujo 0,3Flujo de carga al rehervidor (L/h) 45Numero de pasos al condensador 1Punto de alimentación 3Temperatura de alimentación (°C) 25

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Flujo de alimentación de la torre (L/h) 20Tipo de Calentamiento Vapor

Tabla2. Densidades para las corrientes de la torre

Propiedad Kg/m3

densidad agua alimentacion

997

densidad alcohol alimentacion

803,1

densidad agua destilado

936,3

densidad alcohol destilado

783,5

densidad agua fondos

936,3

densidad alcohol fondos

783,5

Tabla3.concentraciones en las corrientes de la torre

corriente %v/v %p/p x

alimentación

0,18 0,15025288 0,06471316

destilado 0,81 0,78105847 0,58262913fondos 0,2 0,17300771 0,0756671

Tabla3.flujos en las corrientes de la torre

Corriente L/h Kg/h Kmol/halimentació

n20

19,24196

0,97122908

destilado 5 4,06266 0,1183979fondos 0,016759 15,1793 0,85283118

Tabla3.Equilibrio LV para etanol y agua

x, et OH y, etOH

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0 00,019 0,170,0721 0,38910,0966 0,43750,1238 0,47040,1661 0,50890,2337 0,5480,2608 0,5580,3273 0,583

0,3965 0,61220,5079 0,6564

0,5198 0,6599

0,5732 0,6841

0,6763 0,73850,7472 0,78150,8954 0,89540,93 0,920,97 0,961 1

Figura. Representación gráfica del proceso

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Tabla 4. Valores de los coeficientes de un polinomio para calcular Cp

Sustancia PM C1 C2 C3 C4 C5 Cp (KJ/mol.K)

H2O 18 276370 -2090,1 8 -0,014 9,37E-02 1425,42Etanol 46 102,64 -139,63 -0,031 0,002 0 0,036Fondo

(W)20,12 255465,65 -1942,51 7,51 -0,0129 0,0866 1317,56

Tabla 5. Reflujo mínimo

VOLATILIDADESα,ET OH 5,5416949α, H20 0,6857569α,ij 8,08113617

REFLUJO MINIMO

Rm 0,76217377

%Separación:

5,53

Análisis de resultados

Es inevitable observar que el porcentaje de separación es un resultado muy bajo, ya que tan sólo se logró separar el 5,53% del etanol contenido en la mezcla, esto se puede explicar debido a que se utilizó una relación de reflujo inferior a la de reflujo mínima (0,3 fue la usada, frente a 0,76 la mínima) lo que requería un número de etapas infinita, el cual no tuvo el proceso ya que las etapas de la torre son medianamente reducidas.

Otra razón por la cual la separación no se logró llevar a cabo con satisfacción fue porque el tiempo de operación de la torre fue de 1 hora, donde la mayor parte del mismo el sistema aún se encontraba en el arranque.

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Conclusiones

Referencias