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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CURSO : TRANSFERENCIA DE MASA II PI - 147 - A
TEMA :
DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE
INTEGRANTES :
TORRES ALTAMIRANO, JUAN ANTONIO. 20071254J
BARZOLA SALVADOR , LUIS BERNARDO. 20084116J
DE LA CRUZ ARANDA , YULIZA . 20072640K
PROFESOR : ING. CELSO MONTALVO
FECHA : 09/09/2011
2011-II
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Facultad de ingeniería Química y Textil Laboratorio de Transferencia de Masa II
DESTILACIÓN MULTICOMPONTE 2
LABORATORIO N 0
01
DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE
PROBLEMA
Se va a fraccionar o destilar a presión atmosférica una mezcla de multicomponentes que incluye los
siguientes compuestos
Componente Fracción Molar
Ácido Acetico 0.1
Ácido Propanoico 0.3
Ácido Butanoico 0.4
Ácido Metanoico 0.4
Se desea que en el destilado no haya mas del 2 % del componente Ácido Butanoico y no mas del 1 %
componente Ácido Propanoico en el fondo .
La mezcla se alimenta en el punto de burbuja .
CALCULAR
1. Determinar las composiciones de cada componente en el destilado y fondo
2. Calcular el punto de burbuja en el fondo y punto de Rocío en el destilado
3. Determinar la relación de reflujo mínimo
4. Calcular el número de platos mínimos y el número de platos reales para trabajar con un R= 2Rmin
5. Calcular o estimar el plato de alimentación
6. Suponiendo que se trabaja con un flujo de 1000 Kmol/h alimentación, calcular cual es el calor
necesario para el reervidor y cuál es el calor que se debe retirar en el condensador del tope.
Observación: Desarrollar el trabajo en Excel siguiendo el método usado en clase (K como función
de la Presión de Vapor), y presentar una comparación de la misma aplicación usando Hysys (usando
UNIQUAC). La comparación consistirá en la presentación del Diagrama de Flujo donde se muestren
en forma tabular las temperaturas, presión, flujos molares y composiciones para cada corriente y el
resultado general de los datos solicitados.
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SOLUCIÓN
Para las operaciones involucradas en el diseño operacional se va a usar el método de
Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) Este método aunque sólo es aproximado, se utiliza mucho en la
práctica con fines tales como el diseño preliminar, estudios paramétricos para establecer las
condiciones óptimas de diseño, así como para estudios de secuencias óptimas de separación en
la síntesis de procesos. Un esquema del algoritmo a seguir se muestra en la Fig.
1. Determinar las composiciones de cada componente en el destilado y fondo
De los datos dados y del balance de masa se obtiene el siguiente cuadro
FLUJOS MOLARES
Componentes Alimentacion (F) Kmol/h Destilado (D) Kmol/h Residuo (W) Kmol/h
Acido acetico 100 100 0
Acido propanoico 300 297 3
Acido butanoico 400 8 392
Acido metanoico 200 0 200
total 405 595
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ESQUEMA
F =1000Kmol/h
Los claves ligeros y pesados para esta operación son :
Hallamos las fracciones molares para el destilado y residuo:
Ácido Acetico =100 Kmol/h
Ácido Propanoico = 300 Kmol/h
Ácido Butanoico = 400 Kmol/h
Ácido Metanoico = 200 Kmol/h DESTILADO
Ácido Acetico = 297 Kmol/h
Ácido Propanoico = 8 Kmol/h
Ácido Metanoico=100Kmol/h
FONDO
Ácido Acetico = 3 Kmol/h
Ácido Propanoico = 392 Kmol/h
Ácido Butanoico = 200 Kmol/h
COMPOSICION fraccion molar fraccion molar
Componentes Destilado (D) Residuo (W)
Acido acetico 0.2469 0.0000
Acido propanoico 0.7333 0.0050
Acido butanoico 0.0198 0.6588
Acido metanoico 0 0.3361
1.0000 1.0000
Clave Ligero(LK) Acido propanoico
Clave Pesado(HK) Acido butanoico
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2. Calcular el punto de burbuja en el fondo y punto de Rocío en el destilado
A. TEMPERATURA DE BURBUJA EN EL RESIDUO (datos del Excel )
B. TEMPERATURA DE ROCIO EN EL DESTILADO (datos del Excel )
TEMPERATURA DE BURBUJA RESIDUO
componente C1 C2 C3 C4 C5 Pvap (Kpa)
Acido Acetico 53.27 -6304.5 -4.2985 8.8865E-18 6 150.3346626
Acido propanoico 54.552 -7149.4 -4.2769 1.1843E-18 6 73.84963832
Acido n-butanoico 93.815 -9942.2 -9.8019 9.3124E-18 6 34.18059391
Acido metanoico 50.323 -5378.2 -4.203 3.4697E-06 2 234.6023056
Fuente Perry Chemical Engineers Handbook (7ed)
Temperatura (K) 404.5 Presion (Kpa) 101.325
componente zi Pvap(Kpa) Ki α α*xi
Acido Acetico 0 150.334663 1.483687763 4.398246063 0
Acido propanoico 0.00504202 73.8496383 0.728839263 2.160572122 0.010893641
Acido n-butanoico 0.65882353 34.1805939 0.337336234 1 0.658823529
Acido metanoico 0.33613445 234.602306 2.315344738 6.863611154 2.307096186
1 2.976813357
Entonces K 0.33592969
Ki-K 0.00140654
TEMPERATURA DE ROCIO DESTILADO
componente C1 C2 C3 C4 C5 Pvap (Kpa)
Acido Acetico 53.27 -6304.5 -4.2985 8.8865E-18 6 180.3210808
Acido propanoico 54.552 -7149.4 -4.2769 1.1843E-18 6 91.27691968
Acido n-butanoico 93.815 -9942.2 -9.8019 9.3124E-18 6 43.30267547
Acido metanoico 50.323 -5378.2 -4.203 3.4697E-06 2 275.7674299
Fuente Perry Chemical Engineers Handbook (7ed)
Temperatura (K) 411 Presion (Kpa) 101.325
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Finalmente de los datos calculados en el Excel obtenemos la siguiente tabla:
PUNTO TEMPERATURA (K)
ROCIO 411.0
BURBUJA 404.5
3. Determinar la relación de reflujo mínimo
Para hallar el reflujo mínimo usamos la Ecuación de Underwood y con la temperatura promedio
Temperatura promedio =(Tb+Tr)/2 =407.75 K
∑
∑
Aplicamos el procedimiento iterativo para hallar el valor de y además como se alimenta en el punto de burbuja , sabemos que q=1, luego la ecuación se transforma en
∑
Con la hoja de cálculos del Excel obtenemos la siguiente tabla mediante un proceso iterativo
La iteración produce un Ѳ=1.332773
Luego hallamos el reflujo mínimo el cual es Rmin =1.25309
componente zi Pvap(Kpa) Ki α yi/α
Acido Acetico 0.24691358 180.321081 1.779630701 4.164201838 0.059294335
Acido propanoico 0.73333333 91.2769197 0.900833157 2.107881758 0.347900602
Acido n-butanoico 0.01975309 43.3026755 0.427364179 1 0.019753086
Acido metanoico 0 275.76743 2.721612928 6.36836932 0
1 0.426948024
Entonces K 0.42694802
Ki-K 0.00041616
componente zi Pvap(Kpa) Ki α αjxZjF/(αj-Ѳ) αjxXjD/(αj-Ѳ)
Acido Acetico 0.1 164.779521 1.626648775 4.277955056 0.145252652 0.358648525
Acido propanoico 0.3 82.182097 0.811274403 2.133586233 0.799282334 1.953801261
Acido n-butanoico 0.4 38.5182917 0.3802398 1 -1.2020206 -0.05935904
Acido metanoico 0.2 254.523371 2.512570298 6.607857195 0.250530871 0
1 SUMA -0.00695474 2.253090743
Ѳ= 1.332773
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4. Calcular el número de platos mínimos y el número de platos reales para trabajar con un R= 2Rmin
Para calcular el mínimo numero de platos utilizamos Ecuación de Fenske
√
Con los datos obtenidos hallamos la volatilidad promedio del clave ligero
Componente clave K des (D) Frac molar (D) K res(B) Frac molar (B)
Acido propanoico LK 0.900833157 0.733333333 0.728839263 0.005042017
Acido n-butanoico HK 0.427364179 0.019753086 0.337336234 0.658823529
Entonces
√
Luego el número de platos mínimos es :
Para calcular el número de platos reales utilizamos Ecuación de Guilliland
√
Pero por dato R=2Rmin
En la ecuación de Guilliland
Finalmente obtenemos el valor de N= 12.899
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5. Calcular o estimar el plato de alimentación
Para calcular el plato de alimentación usamos la ecuación de Kirkbride
Dónde: NR=Número de platos en sección de rectificación (arriba).
NS=Número de platos en Stripping (abajo).
NR + NS = N
De los datos hallados tenemos
Componente clave X Frac molar (D) Z Frac molar (B)
Ácido propanoico LK 0.733333333 0.005042017
Ácido n-butanoico HK 0.019753086 0.658823529
Flujo de Destilado Kmol D 405
Flujo de Residuo Kmol B 595
0.2062
0.659 0.733 595. . 30.14
0.005 0.019 405
R
S
N
N
Además N= NR + NS = 31.14 NS = 12.899 NS =0.4142 NR =11.59
Finalmente el plato de alimentación es : número 13
6. Suponiendo que se trabaja con un flujo de 1000 Kmol/h alimentación, calcular cual es el calor
necesario para el reervidor y cuál es el calor que se debe retirar en el condensador del tope.
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Usando HYSYS obtenemos los siguientes resultados
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BIBLIOGRAFIA
1. Treybal, Robert; Operaciones de Transferencia de Masa; Mc Graw Hill; 2° Edc. (Español), 1 981.
2. Seader, J. D.; Henley, Ernest J.; Separation Process Principles; John Wiley & Sons, Inc.; 1 998.
3. Hines, Anthony L.; Maddox, Robert N.; Transferencia de masa: Fundamentos y Aplicaciones; Prentice
Hall Hispanoamericana S.A.; 1 984.