I. MARCO TERICO

1.1 PROCESO DE DESTILACIN CONTINUA En una columna de destilacin (Figura N 1), las fases de vapor y lquido fluyen en contracorriente dentro de una zona de transferencia de masa. La columna es equipada con platos o empaques para maximizar el contacto entre las dos fases. Para mejorar la operacin, algo de la corriente del tope es retornada como un reflujo lquido (L0). La razn de reflujo (R) es definida como la razn de L0 a producto del tope D.

Figura N 1 Columna de Destilacin. Fuente: Lus Moncada Albitres

(1)

Dnde:

: Razn (o relacin) de reflujo externo, adimensional

: Cantidad de lquido retornado como reflujo a la columna,

: Cantidad de producto del tope,

1.2 COLUMNA DE DESTILACIN:

Es una torre que cuenta con dos zonas que son la de enriquecimiento o rectificacin y zona de empobrecimiento o agotamiento, cuenta con un condensador y un rehervidor que son elementos claves para que funcione este.

Figura N 2 Zonas en la Columna. Fuente: Ivn Osorio LpezDISEO DE COLUMNAS DE DESTILACIN PARA MEZCLA BINARIAS

1.3 MTODO DE MC CABE-THIELEInterrelaciona el diagrama de equilibrio, las composiciones molares de las corrientes de entrada y salida de la columna y las lneas de operacin en las zonas de rectificacin, agotamiento y alimentacin.

Para aplicar este mtodo es necesario conocer: La fase de la alimentacin (el porcentaje de vaporizacin) La naturaleza del condensador, si es parcial o total Relacin del reflujo a reflujo mnimo La composicin del destilado y del fondo Se considera que la presin es constante a lo largo de la columna

Gracias a este mtodo se pueden determinar Nmero de etapas tericas Nmero mnimo de etapas necesarias: Reflujo mnimo: Plato de alimentacin ptimoEl procedimiento grfico para hallar el nmero de etapas de equilibrio terico y el plato ptimo de alimentacin se muestra en la Figura N 3:

Figura N 3 diagrama de MC CABE THIELE. Fuente: http://www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/McCabe.htm

Se debe tener en cuenta que si el condensador es parcial, la primera etapa de equilibrio corresponde al condensador y que la ltima etapa es el rehervidor.Melgar, Arturo Operaciones de Transferencia de Masa versin 2007 pg. 15-25

1.3.1 LNEA DE OPERACIN EN LA ZONA DE RECTIFICACIN

Figura N 4 Zona de Rectificacin. Fuente: Arturo Melgar Merino

Para trazar la lnea de operacin de la seccin de rectificacin se realiza un balance de materia parcial en la parte superior de la columna, considerando las lneas de corriente y composiciones que se exponen en la Figura N 4

(2)

Despejando

(3)

Ecuacin de la lnea de operacin de la zona de rectificacin

Las suposiciones de Mc Cabe-Thiele para generalizar la lnea de operacin de la zona de rectificacin, son: Los calores de la mezcla son despreciables Los calores latentes de cada componente son iguales o se diferencian en una cantidad despreciable. Por cada mol de vapor que se condensa se vaporiza un mol de lquido.

Estas suposiciones conducen a la definicin de derrame molar constante que se interpreta como:

Corriente liquida:

Corriente vapor: Por lo tanto en (3):

(4)

Siendo en la ecuacin (4):

(5)

(6)

Las ecuaciones 5 y 6 se representan en la Figura N 5

Figura N 5 Lnea de operacin en la zona de rectificacin con su pendiente y ordenada en el origen. Fuente: Arturo Melgar MerinoSi se sustituye las ecuaciones (5 y 6) en la ecuacin (4) se tiene la ecuacin de la lnea de operacin de la zona de rectificacin en funcin de la relacin de reflujo externo.

(7)Ramn, M.A ., operaciones de transferencia de masa2001

1.3.2 LNEA DE OPERACIN EN LA ZONA DE AGOTAMIENTO.Para calcular la lnea de operacin de la seccin de agotamiento se procede de igual manera, de modo que a partir de las corrientes y composiciones mostradas en el esquema de la Figura N 5. se obtiene:

(8)

Por derrame molar constante:

Corriente liquida:

Corriente vapor:

Figura N 5 Zona de Agotamiento de la columna de destilacin. Fuente: Arturo Melgar Merino

Que al reemplazar en la ecuacin (8), resulta:

(9)La ecuacin (9) expresa la lnea de operacin de la zona de agotamiento.Siendo:

(10)

(11)La lnea de operacin de la seccin de agotamiento, su pendiente y su ordenada en el origen se representan en la Figura N6, siguiente:

Figura N 6 Lnea de operacin en la zona de agotamiento. Fuente: Arturo Melgar Merino

Lnea de alimentacin o lnea

Figura N 7 Zona de alimentacin. Fuente: Arturo Melgar

En la Figura N 7 en el cambio de zona y son diferentes, sin embargo, en la misma zona son iguales.

Por balance de materia teniendo en cuenta las corrientes lquido y vapor alrededor del palto de alimentacin, se tiene: En la alimentacin : (12) En la corriente liquida : (13) En la corriente vapor : (14)

Si aplicamos la definicin que equivale al nmero de moles totales de lquido saturado que ingresa en la alimentacin dividido entre el nmero de moles totales en la alimentacin se tiene:

(15)

De modo que, de las ecuaciones (12,13 y 14) se obtiene:

(16)Por otro lado, en la corriente de vapor:

(17)

Al restarla ecuacin (9) de (4), se tiene:

En el que al reemplazar las ecuaciones (16), (17) y el balance de materia parcial alrededor de la columna se obtiene:

(18)Ecuacin conocida como la ecuacin de la lnea de alimentacin.Siendo:

(19)

La condicin de alimentacin se expresa en funcin del valor de : La alimentacin ingresa como vapor saturado y se representa como lnea horizontal.

La alimentacin ingresa como una mezcla de lquido-vapor saturado y se representa por una lnea recta con inclinacin comprendida entre 90 y 180.

La alimentacin ingresa como lquido sub enfriado y se representa mediante una lnea recta que pasa entre 45 y 90.

La alimentacin ingresa como vapor sobrecalentado y se representa mediante una lnea recta con inclinacin entre 180 y 225.

Se trata de un lquido saturado.

Un resumen de las lneas de alimentacin trazadas en funcin de , se muestra en la Figura N 8

Fig 8: Lneas de alimentacin en el diagrama de Mc Cabe-Thiele. Fuente: Lus Moncada Albitres

Determinacin del nmero de etapas de equilibrio terico ()El procedimiento grfico de Mc Cabe Thiele se observa en la Figura N 9

Fig N 9: Numero de Etapas de equilibrio teorico. Fuente: Arturo Melgar Merin Clculo del nmero de platos reales :

(20) Calculo de la relacin de reflujo mnimo:

(21)

1.4 DIMENSIONAMIENTO APROXIMADO PARA LA COLUMNA DE DESTILACIN

Espaciamiento entre platosLa altura total de la columna depende del espaciamiento entre platos. Normalmente se usan desde 0,15 m hasta 1 m a nivel piloto Depende del dimetro de la columna y de las condiciones de operacin.Para columnas con dimetros mayores a 1 m, el espaciamiento usual es aproximadamente de 0,3 a 0,6 m

Dimetro de la columnaEl principal factor que determina el dimetro de la columna es la velocidad de flujo de vapor. La velocidad de flujo del vapor debe ser ms baja que la que pudiera causar excesivo arrastre de lquido o un alta cada de presin.

El dimetro, , puede estimarse de:

(22)Donde=

: Velocidad msica de vapor (kg/s)

: Dimetro de la columna (m)

: Velocidad de inundacin (m/s)

1.5 VELOCIDAD DE INUNDACINLa condicin de inundacin fija el lmite superior de la velocidad de vapor para diseo normalmente se usa el valor de velocidad de 80% a 85% de la velocidad de inundacin. La velocidad de inundacin puede calcularse mediante la ecuacin de Fair.

(1.23)Donde

: Velocidad de inundacin del vapor (m/s)

: Densidad del lquido

: Densidad del vapor

: Constante de la velocidad de inundacin que se determina grficamente de la interrelacin de espaciamiento entre platos y el tipo de plato, como el se muestra en la Figura N 1.15 siguiente:

Figura N 1.15 Diagrama para determinar la constante de velocidad de inundacin para calcular el dimetro de la columna de destilacin. A) Plato de orificio, B) plato de capuchas. Fuente: Pavlov.

1.6 INTERCAMBIADORES DE CALOR:La palabra intercambiador se aplica realmente a todo tipo de equipos en el que el calor se intercambia, pero es ms especficamente empleado para designar equipos en que el calor es intercambiado entre dos corrientes de proceso. Intercambiadores de calor de calor en los que una corriente de proceso es calentada o enfriada mediante una corriente de suministro (agua o vapor) suelen llamarse simplemente enfriadores o calentadores. Si la corriente de proceso se vaporiza como producto de la entrega de calor el equipo recibe el nombre de vaporizador; se le llama rehervidor si est relacionado con una torre de destilacin y evaporador si se utiliza para la concentracin de soluciones. Carlos Alderetes-Marcos MaiocchiIntercambiadores de Calor de Placas-Clculo y seleccin de equipos

I. DESTILACION POR EL METODO CONVENCIONALUna corriente de 100 lb mol/h que contiene 25 % mol de benceno en cloruro de benzoilo, se somete a separacin continua en una columna convencional a la presin de Huancayo para obtener un producto de tope con 85% mol de benceno si se va recuperar 95 % del benceno que ingresara a la columna en el producto de tope y si se usa un condensador total:a) determinar el nmero mnimo de platos que se requieren para alcanzar la separacin con la misma cantidad que el proceso convencionalb) calcular la relacin de reflujo mnimo si la alimentacin ingresa como una mezcla de vapor-liquido con 70% de vapor.

Dato: se recupera el 90% del benceno de la alimentacin

Condicin de alimentacin mezcla VAPOR-LIQUIDO con 70% de vapor

1. Clculo del nmero mnimo de platos cuando la alimentacin es una mezcla VAPOR LIQUIDO con 70 % vapor:

1.1. METODO GRAFICO DE MC CABE THELE:Se interrelaciona el diagrama de equilibrio y las fracciones molares de las corrientes de tope y de fondo1.1.1. Construccin del diagrama de equilibrio a) Calculo de composiciones en el equilibrioAplicando la definicin en funcin de presiones

Donde y por ANTOINE:

b) Calculo del rango de temperatura a la : se calcula despejando en las ecuaciones anteriores

Tabulando:

T(K)

341.41552093.75115.56

345585.22107.940.86340.97175.42

350686.22130.970.69990.92445.24

355801.79157.880.56240.86725.08

360931.32189.170.44580.79244.92

3651076.6225.330.34620.71684.78

3701238.88266.920.26040.62044.64

3751419.43314.510.1860.50774.51

3801619.65368.710.1210.37694.39

3851840.52430.180.06370.22544.28

391.3052154.32520004.14

52.96

Tabla de equilibrio

1.1.2. Calculo de las fracciones molares

a) Calculo de ,del dato b) Calculo de ,aplicando la definicin de fraccin molar en funcin de corrientes

b.1) Calculo de Aplicando balance de materia: Para el benceno alrededor de la columna

Por despeje

b.1.1) Calculo de

Por definicin bsica

b.1.2) Calculo de

Para el clculo de esta corriente utilizamos el dato del enunciado, que expresa que el 95% del benceno que ingresa en la alimentacin se recupera en el TOPE empleando la definicin

Luego se calcula

b.2) Calculo de Por BALANCE DE MATERIA para el cloruro alrededor de la columna

Por despeje

b.2.1) Calculo de En

b.2.2) Calculo de Aplicando un balance de materia en corrientes de destilado:

Por despeje:

calculo de

Por definicin de fraccin molar en corriente de destilado

De donde:

Entonces

Finalmente en :

Calculo de

Graficando y :

1.2. Mtodo analtico:

Aplicamos la ECUACION DE FENMSKE:

1.2.1. DATOS DISPONIBLES:

Por enunciado:

Por clculo:

1.2.2. CALCULO DE :

Sabemos por promedio aritmtico:

1.2.2.1. Calculo de

De modo que a partir de la tabla 1:

1.2.3. CALCULO DE :

2. Calculo del reflujo mnimo para una alimentacin mezcla LIQUIDO-VAPOR con 70% de vapor (Rm):2.1. Mtodo grafico de MC CABE THELESe calcula aplicando la de ordenada en el origen en funcin de la relacin de reflujo mnimo:

De donde por despeje:

2.1.1. Calculo de :

Esta incgnita se lee en el diagrama de equilibrio al intersectar en la ordenada la lnea de operacin de la zona de rectificacin que pasa por los puntos y el punto de interseccion de la lnea de operacin y la curva de equilibrio

a) Construccin de diagrama de equilibrio con datos disponibles en la TABLA 1

b) Construir la lnea de alimentacin.Dado la condicin de alimentacin entonces esta lnea se calcula mediante su inclinacin

b.1) Clculo de : Por definicin de pendiente en funcin de

b.1.1) Clculo de : Si la condicin de alimentacin es una mezcla LIQUIDO-VAPOR equivale a la fraccin molar del lquido en la mezcla alimentada .Es decir dado , entonces que equivale a la fraccin de por tanto Determinado :

Determinado

Graficando:

Finalmente determinamos

1. 2. 2.1. 2.2. Mtodo Analtico Aplicando el mtodo GRAFICO ANALTICO

2.2.1. Calculo de y

Se lee en proyeccin del punto de interseccin de lnea de alimentacin con curva de equilibrio

0.1150.3524

II. SIMULACION DE DESTILACION EN ASPEN PLUS 11.1

2.1. INICIO DEL ASPEN PLUSSe hace click en INICIO, luego se selecciona ASPEN PLUS en todos los programas y se abrir una ventana con estas caractersticas

2.1.1. La ventana de Flowsheet del procesoEs donde Usted crea y visualiza el Flowsheet del proceso PFD

2.1.2. La Librera de Modelos

Se usa para seleccionar modelos de unidades de operacin cuyos iconos se deben colocar en el PFD. Aparece en el fondo de la ventana principal.

Esta librera de modelos consta costa de una paleta principal y en cada Unidad de Operacin una sub-Paleta.Junto a esta librera se encuentra la librera de corriente, que consta de corrientes de material, Trabajo y Calor

2.2. MODELO DE UNIDAD DE OPERACIN EN COLUMNS ,DSTWU

Se seleccionara el modelo de unidad de operacin en COLUMNS, DSTWU el cual es el indicado para nuestro ejercicio

2.3. CORRIENTES DE ENTRADA Y SALIDA

Despus se colocaran las corrientes de entrada y de salida de materia y energa en el caso de destilacin solo se tratara tres corrientes (la alimentacin, tope y fondo)

2.4. DATA BROWSER:Se har click en NEXT aparecer la ventana de DATA BROWSER en donde seleccionara el ttulo y en qu sistema de unidades se desea trabajar y luego se har click en NEXTSistema de unidades para la entrada y la salida Ttulo del simulador

2.5. LOS COMPONENTES QUE INTERVIENEN EN EL SIMULADOR

La siguiente ventana que aparecer es la de COMPONENTS, en esta ventana se hace click en FIND para buscar los componentes que estarn presentes en el simulador

En este recuadro se busca los componentes con los que se trabajara

Se irn enlistando los componentes con sus respectivos formulas

2.6. PROPIEDADES DEL SIMULADOR

La siguiente ventana que aparecer es para especificar las condiciones a las que trabajar el simulador en este caso trabajaremos en una base de mtodo IDEAL.

2.6.1. Next. Tenemos la informacin suficiente para determinar propiedades fsicas.Clic en botn OK

2.7. LAS CONDICIONES DE LA ALIMENTACIN:En la siguiente ventana se seleccionada las condiciones de la alimentacin como presin composicin y la fraccin de vapor Presin en la alimentacin P=520MMHgComposiciones en la alimentacinFraccin de vapor en la alimentacin70%

2.8. LAS CARACTERSTICAS DE LA COLUMNA:

En la siguiente ventana se introducirn las caractersticas de la columna de destilacin como: Relacin de reflujo Porcentaje de recuperacin del benceno Porcentaje de recuperacin del cloruro de benzoilo Especificaciones del condensador y rectificador Porcentaje de recuperacin de benceno 95%Porcentaje de recuperacin cloruro en el topePresin en la entrada y en la salidaRelacin de reflujo=2.94

2.9. MENSAJE DE COMPILACIN:

En la siguiente ventana nos indica que todas las entradas estn completas, y que ya puede correr la simulacin, lo que haremos es ACEPTAR.

2.10. MENSAJE DE CORRIDA DE PROGRAMA

En esta ventana nos indica si el proceso est en ptimas condiciones y eso se ve cuando se observa un icono con un check y el parte inferior hay un mensaje que dice: RESULTS AVAILABLE

2.11. VISUALIZACION DE LOS RESULTADOS :

Se presentan los resultados producto de la simulacin:

Haciendo clic en >> varias veces se da toda la informacin sobre el diseo de la columna. Por ejemplo para las condiciones de Reflujo y Etapas de Equilibrio se tiene:

2.12. GENERANDO REPORTES :

Se muestra una ventana con todos los formularios acerca de los reportes:

Se mostrara un bloc de notas con todos datos necesarios a conocer de la simulacin:

III. COMPARACION DE RESULTADOS

METODO CONVENCIONALASPEN PLUS 11.1

IV. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS :

Existen variaciones entre el mtodo convencional y el simulador (ASPEN PLUS) ,tales como los flujos de TOPE y de FONDO ,como tambin el Nm(nmero mnimo de paltos ) y tambin Rm(relacin reflujo mnimo) Los porcentajes de error son :

METODO CONVENCIONALASPEN PLUS 11.1% DE ERROR

0

0

0

0.1455

0

0.0086

0.0218

0.0084

16.9397

25.1196

V. CONCLUSIONES

Se logr Simular el proceso de destilacin de benceno en cloruro de benzoilo en el simulador con excelentes resultados. Se realiz el balance de materia en el destilador DSTWU. Se logr calcular el Nm y el Rm en la columna por el mtodo convencional y en el simulador Mtodo convencionalAspen plus

Con la ayuda del simulador se pudo elaborar el diagrama de flujo del proceso destilacin de benceno en cloruro de benzoilo en estado estacionario.

Se realiz las comparaciones entre los resultados obtenidos con el programa realizado y el mtodo convencional

METODO CONVENCIONALASPEN PLUS 11.1% DE ERROR

0

0

0

0.1455

0

0.0086

0.0218

0.0084

16.9397

25.1196

VI. RECOMENDACIONES Es muy importante insertar todos los datos y toda la informacin necesaria en el simulador

Es necesario conocer todas las propiedades del simulador ,como tambin todas las unidades de operaciones y los mdulos

Es muy importante tomar en cuenta las advertencias de simulador durante el avance del trabajo y tambin al final del reporte.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Procesos de transferencia y operaciones unitarias Geankopolis Vart 3 edicin .seccin 11.6 destilacin fraccionada. http://simprocess.blogspot.com/2012/02/aspenplus.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/ana_sim/mod_1/html/contenido10.

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