1. (5 puntos) La siguiente grafica corresponde a un diseo de un proceso de destilacin

usando el grfico de entalpa composicin para determinar el nmero de etapas requeridas para separar n-hexano y n-octano. Represente en el diagrama como cambiara el diagrama de Ponchon-Savarit si la alimentacin estuviera subenfriada, y manteniendo la composicin de alimentacin, destilado, fondo y razn de reflujo.

- Las composiciones de se mantienen fijas.

- Como la razn de reflujo se mantiene entonces el punto no cambia de posicin.

- Como la alimentacin viene subenfriada, el punto F debe quedar por debajo de la curva

del punto de burbuja.

Puntaje:

Ubicacin de alimentacin subenfriada correctamente (2 puntos)

Realizacin de balance de masa grficamente, D y B (2 puntos)

Trazar las etapas con el nuevo balance de masa (1 punto)

2. (5 puntos) Una columna de destilacin separando propano-butano usando platos

perforados, est operando bajo su capacidad de servicio (menor flujo de alimentacin), pero manteniendo razones de reflujo y agotamiento. Qu rgimen de flujo se espera que se presente en la operacin? Fundamente su respuesta.

La zona de operacin normal de la torre corresponde a al zona sobre la lnea verde y bajo

la curva superior de manera que una disminucin dl flujo de alimentacin manteniendo

las razones de reflujo y agotamiento se representa en el grfico como una recta que pasa

por el origen. La flecha negra corresponde al sentido que sigue la operacin al disminuir el

flujo de alimentacin, por lo que se observa un rgimen de lagrimeo y si an se sigue

disminuyendo la alimentacin puede incluso llegar a la linea de dump point.

Puntaje:

Mencionar que ocurre un problema en los platos (1 punto)

Especificar la zona de diseo de los platos (1 punto)

Explicar porque se genera la recta con esa pendiente (2 puntos)

Explicar el o los problemas generados (1 punto)

3. (5 puntos) El siguiente esquema corresponde describe la teora de doble pelcula para

el coeficiente de transferencia de materia entre la fase gas y lquido. Como sera el perfil de concentracin para el caso de absorcin con reaccin qumica en la fase liquida (ejemplo Absorcin de CO2 con solucin de NaOH). Adems discuta en este caso la validez de las aproximaciones .

La reaccin anterior ocurre de manera muy rpida en la fase lquida, por lo que los

componentes de la fase gas al ponerse en contacto con el lquido reaccionan

instantneamente, es por esto que se puede suponer que no existe resistencia a la absorcin

en dicha fase, por lo que la resistencia a la absorcin solo se observa en la fase gaseosa de

manera que es posible la siguiente aproximacin:

Puntaje:

Realizar grafico representativo (3 puntos)

Escoger aproximacin adecuada (2 puntos)

4. (5 Puntos) En una operacin de limpieza de agua con orgnico disuelto (por

ejemplo, n-hexano) usando aire limpia a contra-corriente. Como varia el flujo mnimo de desorbente (aire en este caso) con respecto a un incremento en temperatura. Justifique.

El coeficiente de distribucin K se determina mediante:

Para soluciones diluidas podemos considerar la siguiente aproximacin:

La relacin de K con respecto a la temperatura se verifica a travs de la ecuacin de Vant Hoff:

(

)

(

)

Por lo tanto un aumento de la temperatura implicar un aumento del coeficiente K y a su vez

esto provoca una disminucin de

Puntaje:

Explicar alguna relacin entre T y K (2 puntos)

Explicar alguna relacin entre K y Gmn (2 puntos)

Explicar alguna relacin entre T y Gmn (1 puntos)

Realizando balance para la torre:

Despejando:

Puntaje:

Realizar lnea de operacin (1 punto)

Escribir los puntos (Xn,Yn) y (Xo,Yo) en los ejes del grfico (1 punto)

Realizar balance de materia (2 puntos)

Escribir funcin y (1 punto)

Datos:

Desarrollo:

Con lo cual podemos obtener la pendiente de la lnea de operacin que corresponde a:

Con este valor y la fraccin inicial de agua, nos damos valores de fraccin de destilado y se

procede a graficar los platos hasta que calcen los datos (platos, producto de tope y de fondo

con la lnea de operacin). Como se ejemplifica:

Por lo que la composicin de destilado con la menor cantidad de acido actico es de 0,37.

Puntaje:

Realizar balance de materia encontrando pendiente de operacin (2 puntos)

Realizar en el grfico iteracin con pendiente constante (algunos sobrepasan algn xb

al inicial, xf=0,2), (2 puntos)

Escribir resultado (1 punto)

Desarrollo

Sabemos que:

Por lo que a mayor presin mejor factor de absorcin. Lo que se refleja en el grafico de vs

N dibujado.

Puntaje:

Reconocer dependencias (2 puntos)

Reconocer tendencia (2 puntos)

Diagrama (1 punto)

De los datos se obtiene que:

Este valor coincide con el coeficiente de distribucin, por lo tanto la curva de equilibrio y la de

operacin son paralelas

se calcula con la siguiente ecuacin:

Como son las rectas paralelas, la diferencia entre la composicin de soluto en el gas y en

equilibrio es constante , por lo que sale de la integral quedando finalmente:

El nmero de unidades de transferencia para esta operacin es 3.

Puntaje:

Reconocer la pendiente L/G (2 puntos)

Indicar que las rectas son paralelas y por ello (y.y*) es constante (2 puntos)

Plantear integral con sus parmetros y resultado (1 punto)

9. (6 puntos) Usando el mtodo corto (revisado en clases) determine el nmero de etapas en

la seccin de agotamiento en destilacin atmosfrica, considerando una alimentacin

totalmente vaporizada (a temperatura de roco) de un 60% de benceno. Considere usar un

200% del nmero mnimo de etapas requeridas. Los productos a usar corresponden a 80%

pureza de Benceno y 75% 1,2-Dicloroetano. Seale cualquier supuesto o simplificacin

usada.

Se busca el nmero mnimo de etapas con la ecuacin de fenske generalizada para N

componentes:

*(

) (

)+

Para determinar las etapas sobre y bajo la etapa de alimentacin, se considera al ecuacin de

Kirkbride:

[

] [(

)

(

)

]

Con

En primer lugar se calcula el nmero mnimo de etapas de destilacin:

*(

) (

)+

Ahora se procede a realizar los balances de materia para la torre de destilacin:

Balance global:

Balance por componente:

Se supondr que la alimentacin corresponde a 100 [Kmol/h]

Reemplazando en el sistema de ecuaciones:

[

]

[

]

Reemplazando en la ecuacin de Kirkbride:

[

] [(

)

(

)

]

[

] [ ]

[

] [ ]

El nmero de etapas de operacin corresponde al 200% del nmero de etapas mnimas:

Finalmente:

El nmero de etapas en la seccin de agotamiento es 26.

Nota: Debido a aproximaciones, tambin se poda considerar

Puntaje:

Reconocer y plantear correctamente la ecuacin de Fenske (2 puntos)

Realizar el balance de materia (2 puntos)

Reconocer y plantear correctamente la ecuacin de Kirkbride (2 puntos)

Respuesta:

a) Considerando absorbente limpio, se tiene:

(

)

Donde:

[ ]

[ ]

Por balance materia:

Reemplazando:

[ ]

[ ]

Evaluando:

(

)

[ ]

(

)

[ ]

b) Revisando:

Comparando: : 0.15>0.4/9.33=0.043, entonces la fase gas controla la

transferencia de materia. Evaluando [ ]

c) Evaluando el nmero de unidades de transferencia:

(

)

Evaluando la altura de unidades de transferencia, notar que flujo de gas debe ser expresado en

volumen para consistencia de unidades:

[ ] [ ]

[ ]

[

] [ ]

[ ] [ ] [ ]

Evaluando la altura de relleno:

[ ]

d) Una evaluacin rpida se logra cambiando

. Reevaluando

(

)

Puntaje:

Balance de materia, (si considero L=KG solo un punto) (2 puntos)

Clculo Lmin (2 puntos)

Pregunta b) (2 puntos)

Pregunta c):

Clculo Nog (2 puntos)

Clculo Hog (2 puntos)

Pregunta d) (2 puntos)

Notar soluciones diluidas, concentraciones muy bajas en el lquido y gas puro.

Flujo minimo de gas,

:

La composicin de amoniaco se puede estimar como:

Donde, S, esta dado por

Puntaje:

Balance de materia, (si considero L=KG solo un punto) (2 puntos)

Clculo Lmin (2 puntos)

Pregunta b) (2 puntos)

Pregunta c):

Clculo Nog (2 puntos)

Clculo Hog (2 puntos)

Pregunta d) (2 puntos)

Desarrollo

Aproximando calor de vaporizacin de la mezcla a 40 [J/mol]

[ ]

[

]

a)

Para el reflujo inicial, se dibuja la lnea de operacin y se obtiene el reflujo inicial de la

siguiente manera:

De donde el Intercepto

De donde 0,167

Para el reflujo final nos damos diferentes pendientes hasta que calcen 4 etapas y que

el producto de fondo de la composicin 0,1. As con el intercepto se calcula el :

De donde 0,4

b)

Sabemos que

De donde sacamos el valor de y de :

[

]

De la misma manera para flujo final:

[

]

Puntaje:

Calculo de calor de vaporizacin ponderado y flujo de vapor V (2 puntos)

Graficar y calcular el reflujo inicial (2 puntos)

Graficar y calcular reflujo final (2 puntos

Calcular producto de destilado inicial (2 puntos)

Calcular producto de destilado final (2 puntos)

PAUTA PARTE C CERTAMEN 2

Estructuracin del grafico: 6 PUNTOS

Se usa interpolacin logartmica, ya que los datos de presiones parciales no estn en escala

lineal.

Se transforma el eje x (molCo2/mol MEA) en fracciones de CO2 en LIQUIDO TOTAL.

Para transformar porcentajes en peso a mol se usa lo siguiente:

(

)

(

) (

)

% mol = 0,112

Luego:

Se elige presin de operacin de absorbedor, acorde a los valores de y1 e y2.

P operacin = 250 [kPa]

Tabla de datos x e y del equilibrio entre CO2 y MEA

X Y

0 0

0,0269 0,00504

0,0303 0,00664

0,0359 0,01096

0,0382 0,016

0,0404 0,02

0,0438 0,0236

0,0460 0,0284

0,0480 0,032

0,0500 0,036

0,0513 0,04

0,0539 0,0476

A partir de los datos iniciales, se obtienen las fracciones de CO2 en la entrada y salida del

absorbedor.

y1 = 0,025

y2 = 0,004

Mediante el grafico se obtiene: x1 mximo = 0,0442

Calculo x2 y flujo mnimo

Para calcular estos parmetros hay dos opciones

1.- Considerar que x2 es NO SE QUE PORCENTAJE de x1, y asi determinar x2.

2.- Considerar lo siguiente:

Por lo tanto, en el balance de materia se puede obtener el valor de Lmin:

Lmin = 142,4 [kmol/h]

Lmin1,8 = 256,3 [kmol/h] = Lop

Diseo de la torre de absorcin: 2 PUNTOS

Se considera una variable de diseo, la cual es el flujo de gas por area (G):

[

]

Se considera un valor aceptable al rea calculada:

[

]

rea de la torre de absorcin:

[ ]

Dimetro de la torre de absorcin

[ ]

Seleccin del relleno

Mediante material bibliogrfico se determinan las siguientes caractersticas del relleno.

Material Plstico

Tipo PVC

Forma Anillos Pall

Kg 118 kmol/hm^3atm

A 111,1 m^2/m^3

F 20

Cd 47,5

Alpha 59,94

Beta 0,024

D 50 mm

Rango del dimetro del relleno

Por lo tanto, el dimetro del absorbedor ser en el rango de:

[ ] [ ]

Altura del relleno 6 PUNTOS

Se puede calcular de dos formas:

1.- Por medio de grficos (material bibliogrfico: Seeder)

2.- Mediante interpretacin de la integral de Nog por medio de sumatoria de reas

Nog = 4,0

Hog = 1

Z = 4 [m]

Cada de presin 3 PUNTOS

Debe ser calculado por algn mtodo apoyado con material bibliogrfico.

p = 0,097 [in H2O]

Preguntas 3 PUNTOS

G) Si cambia la temperatura de operacin de la torre de absorcin cambia totalmente el

diseo de la torre, ya que el aumentar la temperatura a 60[C] cambiaria la curva de

equilibrio entre CO2 y MEA por cambios en la solubilidad del soluto que se quiere

absorber. Adicional a esto, como es una absorcin con reaccin qumica, podra

activar la reaccin, afectando rotundamente en la recuperacin del soluto absorbido.

H) Las cadas de presin de operacin en las torres de absorcin generan problemas en

al eficiencia de absorcin del relleno elegido para el proceso. Cambia la velocidad de

absorcin

I) Disminuir el flujo del lquido absorbedor en la torre de absorcin, para contrarrestar

el efecto de la inundacin de la torre de absorcin. Tambin se podra aumentar el

flujo de gas para equiparar el efecto del aumento del lquido entrante.

DESCUENTOS

ERROR DE CALCULO -1 PUNTO

GRAFICO MAL ELABORADO -1 PUNTO

BALANCE DE MATERIA -2 PUNTOS

CONVERSIONES ERRONEAS -1 PUNTO

NO JUSTIFICAR SELECCIN DEL RELLENO -1 PUNTO

ERRORES EN ALTURA DE RELLENO -2 PUNTOS

BIBLIOGRAFIA -1 PUNTO

a) Considerando, L y G aproximadamente invariantes:

(

)

(

)

[

]

[

]

[ ]

Evaluando:

[ ]

b)

Evaluando:

- Etano:

4,24%

- Propano:

=0,8%

- Butano:

=0,016%

Puntaje:

Flujo mnimo de absorbente (1 punto)

Nmero de unidades de transferencia (1 punto)

Altura de unidad de transferencia (1 punto)

Altura de relleno (1 punto)

Composicin de salida (1 punto)

Nota:

= 0.022 [ ]

= 0.027 [ ]

a)

[ ]

b)

[

]

(*

+ [

] )

*

+

(*

+ * +

)

*

+

* +

*

+

*

+ [ ]

[ ]

[ ] [ ]

Nota: muy grande, cambiar el dimetro, relleno o razn mnima de absorbente.

Puntaje:

Reconocer fase controlante. (1 punto)

Determinar Nmeros de unidades de transferencia (1 punto)

Determinar Altura de unidades de transferencia (1 punto)