UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN

INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO EXPERIMENTAL MULTIDISCIPLINARIO V

Reporte Experimental 4

DESTILACION EN TORRE EMPACADA

Equipo:

RODARTE LOPEZ JAZMIN OLMOS CASTRO RUBEN DARIO MARTINEZ RAMIREZ FRANCISCO SNCHEZ REYES ALFONSO

Cuautitlan Izcalli a 20 de octubre de 2010.

INTRODUCCIONLa destilacin es un proceso de separacin de una mezcla de dos o ms componentes con diferentes puntos de ebullicin. Cuando una mezcla de dos componentes es calentada, el vapor que asciende, tiene mayor concentracin en el componente ms voltil. Por el contrario, si el vapor es enfriado el componente menos voltil tiende a condensarse en mayor proporcin.Algunos matemticos, como Warran L. McCabe y Edwin W. Thiele tomaron como base la regla de las fases de Gibbs, para desarrollar un mtodo para el diseo termodinmico de columnas. Desde entonces se ha llevado acabo una gran cantidad de estudios del comportamiento de las columnas de destilacin lo que ha permitido comprender mas a fondo esta operacin y usarla ampliamente en separaciones a gran escala.

Una columna de destilacin consiste en mltiples contactos entre las fases de lquido y vapor.Cada contacto se lleva mezclando ambas fases, seguida de la separacin mecnica de las fases. Los contactos se realizan frecuentemente sobre platos horizontales dispuestos en una columna vertical. El vapor pasa a travs de los orificios o conductos de cada plato para entrar en contacto directo con el lquido formando burbujas. El liquido desciende de un plato a otro a travs de los conductos conocidos como bajantes. A medida que el vapor avanza hacia la parte superior de la columna se enriquece progresivamente en el componente ms voltil. La alimentacin a la columna de destilacin se introduce en la etapa ms conveniente, definida durante el diseo de la torre. La parte de la columna situada por encima de la etapa de alimentacin es la seccin de rectificacin (enriquecimiento) y la situada por debajo es la seccin de agotamiento. El liquido procedente del fondo de la columna pasa a un rehervidor para generar el vapor de contacto.

El nmero de etapas tericas en una torre depende nicamente de la dificultad de la separacin y se determina por los balances de materia y energa y la distribucin de los componentes en equilibrio.

El nmero de platos reales depende de que tan prximo o alejado funciona el plato con respeto a un plato terico o ideal. Una forma de cuantificar que tan ideal es un plato es mediante el concepto de eficiencia. La eficiencia de plato y el nmero de etapas reales se determina por el diseo mecnico del equipo y las condiciones de operacin. La eficiencia del plato depende en general del tiempo de contacto entre las fases, la superficie interfacial y la intensidad de turbulencia.

GENERALIDADES.

El nmero de platos tericos en una columna slo depende de lo complejo de la separacin, que se va a utilizar y nicamente esta determinado por el balance de materia y las consideraciones de equilibrio. La eficiencia de la etapa se determina por el diseo mecnico utilizado y las condiciones de operacin. Por otra parte, el dimetro de la columna depende de las cantidades de lquido y vapor que fluyen a travs de la torre por unidad de tiempo. El nmero de platos utilizados en la torre ser mayor al calculado tericamente, y estos tienen eficiencias que varan entre el 40 al 90%, dependiendo de la hidrodinmica del equipo, caractersticas del sistema y condiciones de operacin.La determinacin de las eficiencias de cada plato se puede realizar mediante distintos mtodos. La eficiencia de Muphree EMG es muy conveniente para diagramas de McCabe-Thiele, para la fase vapor se define como:

en donde:yn* es la composicin de vapor que estara en equilibrio con el lquido que sale de la etapa n, yn+1 y yn son los valores reales para las corrientes de vapor en las etapas n+1 y n respectivamente.

Otro mtodo para describir el funcionamiento de una torre de platos es mediante la eficiencia total de la columna:

OBJETIVOS Comprender el funcionamiento de la torre de destilacin de platos y que sea capaz de relacionar las variables de operacin y diseo de la columna Comprender los conceptos de eficiencia, etapa real y numero de platos reales.PROBLEMA EXPERIMENTALDeterminar experimentalmente la eficiencia globla y la eficiencia por plato de la torre de destilacin de platos. Comparar los resultados con los valores reportados en la literatura o con los valores obtenidos a partir de algn procedimiento estndar, tal como el del AICHE, y hacer un anlisis de las diferencias con base en las condiciones de operacin del equipo.MATERIAL Refractmetro Probeta de 2 L Vaso de Precipitados 500 mL 15 Tubos de Ensaye Cubeta de 4 L Guantes de asbesto

EQUIPO Y SERVICIOS Torre de destilacin de platos Vapor Agua de enfriamiento ElectricidadPROCEDIMIENTO EXPERIMENTALa) Verificamos que todas las vlvulas estn cerradas.b) Identificamos las lneas de proceso (entradas, salidas y servicios). c) Verificamos que se contaba con los servicios requeridos.d) Cargamos el tanque de alimentacin a media capacidad con la mezcla a separar.e) Purgamos la lnea de condensado del rehervidor.f) Abrimos las vlvulas de alimentacin de la torre.g) Encendimos la bomba de alimentacin para cargar la torre hasta que el nivel se mantenga a de capacidad.h) Establecer una recirculacin total.i) Abrimos las vlvulas del condensador para el destilado.j) Dejamos que aumente el nivel del destilado.k) El reflujo se empez cuando hubo un poco menos de la mitad del nivel del tanque de destilacin.l) Se trabajo a reflujo total arrancando las dos bombas de alimentacin y destilado al mismo tiempo.m) Fijamos que el flujo de reflujo y se mantuvo constante esto con el fin de alcanzar el estado estacionario.n) Operamos la torren a rgimen permanente, se mantuvo constante el nivel de destilado en el tanque y el nivel de la alimentacin fue controlada para que no se agotara muy rpido o) Tomamos muestras de cada uno de los platos del condensador y rehervidor. Tomar al mismo tiempo lecturas en las temperaturas de los platos.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

TABLA 1. CONDICIONES DE OPERACIN DE LA TORRE EN ESTADO ESTABLE A REFLUJO TOTAL:T H2O fria(C)T retorno H2O (C)T reflujo (C)Tdestilado tanqueFlujo alimentacin GPMReflujo LPMFlujo H2O fra LPMPresin intercambiador Kg/cm2Presin tanque destilado Kg/cm2

192433341.70.410.30.60.12

TABLA 2. INDICE DE REFRACCION DE LOS PLATOS DOMO, FONDOS Y ALIMENTACION:PlatoINDICE DE REFRACCIONTemperatura C

Rehervidor1.34684

11.349575

21.350579

31.35266

41.35575

5 (alimentacin)1.35776

61.357364

71.358370

81.36271

condensador1.36872

DIAGRAMA DE FLUJO DE LA TORRE DE DESTILACION DE PLATOS

De la curva de calibracin, ndice de refraccin contra fraccin mol de etanol se obtiene lo siguiente:TABLA 4: FRACCION MOL DE ETANOL EN EL LIQUIDO Y VAPOR.PlatoINDICE DE REFRACCIONx (fraccin mol etanol)y* (fraccin mol etanol)

Rehervidor1.3460.10.4

11.34950.180.51

21.35050.20.52

31.3520.2350.55

41.3550.310.6

5 (alimentacin)1.3570.350.62

61.35730.3550.62

71.35830.380.63

81.3620.4750.67

condensador1.3650.550.7

MEMORIA DE CLCULO.CALCULO DE EFICIENCIAS EXPERIMENTALES.Eficiencia de Murphree del gas.

Para el plato n=8

, 2.63%Para el plato 7

Para el plato 6

Para el plato 5

Para el plato 4

Para el plato 3

Para el plato 2

Para el plato 1

Eficiencia global de plato:

CALCULO DE LA EFICIENCIAS TEORICAS POR EL MTODO DE AICHE.1. Se predice el valor de (NTU)G numero de unidades de transferencia de la fase gaseosa, de la siguiente ecuacin:

Donde:

Para calcular las eficiencias se necesita calcular F, la cual es igual a:

Donde: ; y viene dado por la siguiente expresin:

Sustituyendo:

L viene dado a por la relacin:

Donde: V= flujo volumtrico (0.06605 gal/min); la anchura promedio de la trayectoria de flujo se calcula mediante el siguiente procedimiento:

Sustituyendo:

Para calcular el nmero de Schmidt del gas ( se utiliza la siguiente expresin:

Donde:La viscosidad de mezcla gaseosa se calculo con la ecuacin de Wilke:

Donde:

Las viscosidades para cada componente son: con T en K de 293 a 333K = ; .Sustituyendo:

Calculando al viscosidad de mezcla:

La Difusividad de gases se calculo mediante la siguiente expresin (Wilke-Lee):

Donde:

13

T=327KPt=78.127KPaMA=46.07MB=18.02 rB=0.2641rA=0.46

Sustituyendo en la ecuacin de difusividad:

La densidad se obtuvo mediante la ecuacin de gas ideal:

Donde: ; P=78127 Pa; R=8.314 m3Pa/molK; y T=327.15K(varia).Sustituyendo datos obtenidos en la ecuacin de Schmidt:

Calculando NTUG:

2. Se calcula la retencin de liquido en el plato Zc, expresada en pulgadas de liquido claro, por la expresin:

Donde: W= altura de la presa (vertedero=9.4in).

3. Se calcula el tiempo promedio de contacto del liquido en el plato en segundos tL:

En esta ecuacin es la distancia recorrido por el lquido en el plato en ft, y puede tomarse igual a la distancia entre las presas de entrada y salida.

4. Se predice un valor para (NTU)L , numero de unidades de transferencia de la fase liquida, mediante la relacin.

Donde: es la difusividad en la fase liquida, ft2/h, que viene dada por la siguiente expresin (Wilke-Chang):

Donde:

VA= volumen molal del soluto en el punto de ebullicin normal= 0.0592m3/kmol

Sustituyendo para calcular :

5. Se combinan y como sigue para predecir la eficiencia puntual EOG :

Donde:

es la razn de las pendientes de la curva de equilibrio y la lnea de operacin KGM/LM, o bien HMLM/PGM. Sustituyendo:

Calculando eficiencia puntual:

6. Se calcula un valor para la difusividad efectiva en direccin del flujo de liquido como sigue:

es la velocidad del gas, ft3/s ft2 de area de borboteo del plato. es la difusividad efectiva ft2/s.

Por lo tanto:

La ecuacin anterior es valido para platos de campanas de borboteo redondas, siendo el dimetro de las campanas de 3 pulgadas o menor. Para campanas de borboteo redondas de 6.5 pulgadas, el valor de DE aumenta un 33%.7. Se calcula el numero de Peclet, NPc. Este grupo adimensional se calcula como:

De acuerdo a l grfica 12.20 del King (pag 658)

Por lo tanto

8. La eficiencia se deba corregir por efecto de arrastre.

Esta ecuacin relaciona EMV, la eficacia que se obtiene en ausencia de arrastre, con Ea, la eficacia obtenida en presencia de moles de arrastre/ mol de caudal total de liquido descendente.

La eficiencia de plato corregida por efecto de arrastre es:Ejemplo para plato 8:

Como , es un valor muy pequeo 0.001 y se calculo un porcentaje de anegramiento de

Entonces se puede evitar la correccin por arrastre, ya que se obtienen valores prcticamente iguales.

Resumiendo en la siguiente Tabla se presenta la eficiencia para los dems platos:PLATODABx 105 m2/sNSC(NTU)GDALx 109 m2/s(NTU)L(NTU)OGEOG

11,68851,930,25972,433,20,25740,227

21,64156,90,24812,1631,490,24590,218

31,61759,40,24282,0630,750,24060,214

41,60461,380,23892,0230,450,23670,211

51,55766,240,231,8729,30,22790,204

61,53669,870,22391,7828,590,22190,199

71,26398,430,18861,4325,620,1870,171

81,42579,650,20971,6327,350,20790,187

Conclusiones.Al calcular las eficiencias tericas y experimentales, podemos notar que estas tienen una variacin muy notable, posiblemente debidos a la baja concentracin de alcohol en la mezcla o posiblemente debido a que el mtodo de Aichi esta propuesto para determinados intervalos de operacin, y posiblemente no estemos dentro de este rango. Otras variables que no se toman en cuanta en el mtodo de AICHE es la tensin superficial que se sabe que esta disminuye la eficiencia del plato, cuando se tiene un sistema con tensin superficial positiva. Del diagrama Mc-thile se observa que la eficiencia global obtenida experimentalmente es de un tercio (33.3%) y haciendo el calculo terico de la grafica de 6.25 Treybal (pag. 209) con un L=1.25x10-3 se obtiene eficiencia global de 48%.BIBLIOGRAFA ROBERT E. TREYBAL. Operaciones de Transferencia de Masa. 2 ed. Mxico, Ed. McGraw-Hill, 2007. HINES A. L., MADDOX R. N. Mass Transfer. Mxico, Ed. Prentice-Hall, 1987. J. M. SMITH, H. C. VAN NESS, M. M. ABBOTT. Introduccin a la Termodinmica en Ingeniera Qumica. 7 ed. Mxico, Ed. McGraw-Hill, 2007. ROBERT H. PERRY. Manual del Ingeniero Qumico. 6 ed. Tomo I. Mexico, Ed. McGraw-Hill, 1992. BIRD. Fenmenos de transporte. KING. Procesos de separacin. Ed. Reverte.2003. FFI