Destilación. Problemas. Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 1. DESTILACIÓN MÉT. DE McCABE-THIELE

Transcripción

1 Destilación Problemas PROBLEMA 1*. Determine en cada uno de los siguientes casos la pendiente de la línea de alimentación de una columna de destilación. (a) La alimentación es una mezcla de etanol y agua, 40 % molar de etanol. La corriente está a 200 ºC y a una presión suficientemente alta como para que sea líquida. Ingresa a la columna pasando por una válvula, evaporándose instantáneamente. La presión en la columna es de 0,968 atm. (b) La columna de destilación trabaja a la presión de 1 kg f /cm 2. La alimentación contiene 50 % de etanol en peso y su flujo es de 1 kg/h. esta alimentación inicialmente es líquida a 250 ºC y se evapora instantáneamente cuando la presión baja al entrar en la columna. (c) La alimentación a la columna es vapor sobrecalentado tal que se evapora 1 mol de líquido en el plato de alimentación para enfriar 5 moles de alimentación hasta la temperatura de vapor saturado. PROBLEMA 2. Una columna de destilación con condensador total y vaporizador parcial separa acetona de etanol. Se desea que la concentración de acetona en el destilado sea x D = 0,90 y que en las colas sea x B = 0,13, fracción molar. Suponga que L/V = 0,8 es constante y que la relación de vapor al fondo V /B = 1,0 es también constante. Si la composición de la alimentación es 0,3 (todas las composiciones están en fracciones molares del componente más volátil), calcule: (a) la ubicación óptima del plato de alimentación; (b) cuántas etapas se requieren con reflujo total?; (c) cuánto vale L/V) mín y cuánto vale L/D) mín?. (d) Si el rendimiento de Murphree en la fase vapor es 0,75, cuántas etapas se requieren para L/V = 0,8? en la fase líquida, x A en la fase vapor, y A 0,10 0,262 0,15 0,348 0,20 0,417 0,25 0,478 0,30 0,524 0,35 0,566 0,40 0,605 0,50 0,674 0,60 0,739 0,70 0,802 0, ,90 0,929 Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 1

2 PROBLEMA 3*. Una columna de destilación separa fenol de p-cresol a 1 atm de presión. Se desea que la composición del destilado tenga una fracción molar de 0,963 en fenol. Se usa una relación de reflujo de L/D = 4. Los datos de equilibrio se pueden representar con una volatilidad relativa constante α AB = 1,76. (a) Cuál es la composición de líquido que sale de la sexta etapa de equilibrio abajo del condensador total? (b) Trace el perfil de composición del líquido que sale de cada plato, para ambos componentes, en función del nº de platos de la columna. PROBLEMA 4. Calcular las composiciones de las fases en equilibrio que abandonan cada etapa, en una columna de rectificación provista de caldera parcial, condensador total y 3 platos, a la que se alimentan 100 kg/h de una mezcla líquida de agua y ácido butírico, calentada hasta su temperatura de burbuja, al 10% en peso de agua, que se introduce en el plato óptimo. Las composiciones (% en peso) del destilado y del residuo son, respectivamente, 79,5% y 1,1%. (a) Qué razón de reflujo se necesita? (b) Trace el perfil de composición del líquido que sale de cada plato, para ambos componentes, en función del nº de platos de la columna. Datos: λ A = 2257 kj/kg y λ B = 388 kj/kg. PROBLEMA 5*. Una columna de destilación con condensador total y hervidor parcial separa etanol y agua a 1 kg f /cm 2 de presión. La alimentación tiene una composición de etanol de 0,32 y está a 30 ºC. El flujo de alimentación es de 100 kmol/h. El producto destilado es un líquido saturado que contiene 80 % de etanol. El condensador elimina kcal/h. Las colas contienen una fracción de 0,04 de etanol. (a) Calcule la cantidad de etapas de equilibrio de la columna y la ubicación óptima del plato de alimentación. (b) Manteniendo el número de etapas fijo y alimentando un plato por debajo de óptimo, es posible llevar a cabo la separación deseada? (c) Manteniendo la relación de reflujo fija y rediseñando la columna, cuántas etapas se necesita para poder alimentar la columna un plato por debajo del óptimo? Datos: Cp L A = 103,04 kj/(mol K) a 0 ºC. Todas las composiciones son fracciones molares. PROBLEMA 6. Una mezcla benceno (A)/tolueno de composición 36,11% (peso) se trata en una columna de destilación con condensador total y hervidor parcial para obtener un destilado y un producto de cola de composición 0,907 y 0,060 fracción másica, respectivamente. (a) Si la mezcla de alimentación es líquido-vapor (título del 50 %) y la relación de reflujo es un 56 % superior a la mínima, trace la línea de operación y determine el número de etapas teóricas. (b) Si la mezcla es vapor saturado y se mantiene la relación de reflujo, trace la línea de operación y determine el número de etapas teóricas. (c) Igual que en el punto (a), suponga que la alimentación ingresa un plato por debajo del plato óptimo, qué cambia en la columna? Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 2

3 en la fase líquida, x en la fase vapor, y 0,0 0,000 0,1 0,205 0,2 0,365 λv A = 390 kj/kg 0,3 0,503 0,4 0,615 λv B = 351 kj/kg 0,5 0,710 0,6 0,790 0,7 0,855 0,8 0,910 0,9 0,956 1,0 1,000 PROBLEMA 7*. Se desea separar etanol de agua en una columna de destilación con un condensador total y un hervidor parcial. La alimentación es de 200 kmol/h de una corriente F 1 que es vapor saturado de 30 % de etanol. Además se alimentan 300 kmol/h de una corriente F 2, líquido subenfriado, de 40 % molar de etanol. Un mol de vapor debe condensarse dentro de la columna para calentar 4 moles de la alimentación F 2 hasta su punto de burbuja. Se desea que el producto de fondo tenga 2 % de etanol y el destilado 72 % de etanol. La relación de reflujo externa es L/D = 1 y el reflujo vuelve como líquido saturado. La operación se realiza a 101,3 kpa y la columna es adiabática. Todas las composiciones son porcentajes molares. Determine los lugares óptimos de alimentación y la cantidad de etapas teóricas necesarias en la columna. PROBLEMA 8. Una columna de destilación separa metanol y agua a 1 atm de presión. La columna tiene un condensador total y un hervidor parcial. Además entra una corriente de vapor de agua puro y saturado en la segunda etapa arriba del vaporizador parcial. La alimentación es de kmol/día y contiene 48 % de metanol y 52 % de agua, ingresando como líquido subenfriado. Por cada 4 moles de alimentación se debe condensar 1 mol de vapor dentro de la columna. La composición del destilado es de 92 % de metanol. La relación de reflujo superior es L/D = 1,0. La composición de las colas es de 8 % de metanol. La relación de vapor en el fondo es V /B = 0,5. Todas las composiciones son porcentajes molares. Calcule el lugar óptimo de la alimentación y la cantidad total de etapas de equilibrio necesarias. x A y A 1 1 0,95 0, ,9 0, ,8 0, ,7 0, ,6 0, ,5 0, ,4 0, ,3 0, ,2 0, ,1 0, ,05 0, Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 3

4 Diagrama de Merkel etanol / 1 kg f /cm 2 Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 4

5 agua (A) / ác. 101,3 kpa Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán: - Llevarse resueltos a la clase de problemas. - Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prácticos de cada alumno, al finalizar la asignatura. Sitio web: Problemas de Operaciones Unitarias II Ingeniería Química 5