Download - destilación rellenos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
OPERACIONES UNITARIAS i
DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN DE relleno
SISTEMA TOLUENO-OCTANO
VERA CANTOS RAIZA MISHELLE
SEMESTRE: 5
INTRODUCCION
En la industria, los procesos implicados en operaciones de transferencia de materia son de gran importancia. Existe un gran número de operaciones industriales en las que se ponen en contacto una fase líquida con otra gaseosa, produciéndose el transporte de materia entre ambas. En las columnas de relleno la transferencia de materia se hace de forma continuada. Estas columnas también son llamadas columnas empaquetadas. La torre de relleno más común es la que consiste en una carcasa cilíndrica que contiene el material inerte en su interior. Tienen su principal aplicación en la absorción de gases, constituyendo así un fenómeno de gran interés e importancia para nuestra carrera. Por lo cual el presente trabajo va dirigido hacia el diseño de una columna de destilación de rellenos para el sistema Tolueno-Octano, con determinadas condiciones de operación, a través de los respectivos cálculos y gráficos.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMACon la finalidad de conocer la efectividad del método de dimensionamiento de columnas de destilación de rellenos aprendido en clases, y pretendiendo un mayor entendimiento de la operación de destilación, se procede a que:
Con los datos que se indican a continuación que corresponden al sistema Tolueno-Octano, dimensionar una columna de destilación de flujo continuo.
Sistema: Tolueno-Octano a 1 atmosfera de presión.
F, [kg.h-1] TF, [ºC] xF xD xW
3 11500 30 0,25 0,88 0,04
Cálculos 1. NUMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA
1.1. Determinación del número de unidades de transferencia NOG referida a la fase gasTabla 1.1-1
Numero de unidades de transferencia referida a la fase gaseosa
x y y* y*-y 1/y*-y0,04 0,04 0,068 0,028 35,7140,05 0,056 0,084 0,028 35,7140,1 0,104 0,16 0,056 17,8570,15 0,16 0,232 0,072 13,8890,2 0,212 0,292 0,08 12,5000,25 0,268 0,36 0,092 10,8700,3 0,316 0,424 0,108 9,2590,35 0,368 0,46 0,092 10,8700,4 0,412 0,504 0,092 10,8700,45 0,464 0,54 0,076 13,1580,5 0,508 0,58 0,072 13,8890,55 0,56 0,62 0,06 16,6670,6 0,6 0,66 0,06 16,6670,65 0,652 0,7 0,048 20,8330,7 0,7 0,74 0,04 25,0000,75 0,756 0,776 0,02 50,0000,8 0,804 0,836 0,032 31,2500,85 0,856 0,876 0,02 50,0000,88 0,88 0,9 0,02 50,000
NOG=∫yw
yddy
y¿− yEc .1.1−1
NOG= ∫0.068
0.900
(¿2445,8 x6−9514,3 x5+13869 x4−9690,2 x3+3532,8x2−651,75x+58,978)dx¿
NOG=17,634
1.2. Determinación del número de unidades de transferencia NOG referida a la fase liquido.
Tabla 1.2-1Numero de unidades de transferencia referida a la fase liquida
y x* x x-x* 1/x-x*0,080 0,052 0,076 0,024 41,6670,120 0,076 0,116 0,040 25,0000,160 0,100 0,152 0,052 19,2310,200 0,128 0,188 0,060 16,6670,240 0,156 0,224 0,068 14,7060,280 0,188 0,260 0,072 13,8890,320 0,216 0,300 0,084 11,9050,360 0,248 0,340 0,092 10,8700,400 0,272 0,384 0,112 8,9290,440 0,316 0,424 0,108 9,2590,480 0,356 0,464 0,108 9,2590,520 0,400 0,504 0,104 9,6150,560 0,444 0,544 0,100 10,0000,600 0,492 0,588 0,096 10,4170,640 0,540 0,628 0,088 11,3640,680 0,588 0,668 0,080 12,5000,720 0,644 0,708 0,064 15,6250,760 0,696 0,748 0,052 19,2310,800 0,748 0,792 0,044 22,7270,840 0,804 0,836 0,032 31,2500,860 0,828 0,864 0,036 27,778
NOL=∫xw
xddy
x−x¿ Ec1.2−1
NOL=∫0.04
0.88
(3316,1 x6−12856 x5+19202x4−14044 x3+5363 x2−1042x+94,376)dy
NOL=11,035
2. CALCULO DE LA CANTIDAD DE VAPOR Y DE LIQUIDO
2.2. CABEZA de la columna
2.2.1. Cantidad de vapor
V=D (1+Rmin ) Ec .2.2 .1−1
V=26,4489kmolh
(1+3,783)
V=126,5051kmolh
V=126,5051kmolh
∗108,7kg
kmol
V=13751,1044kgh
2.2.2. Cantidad de liquido
L=D∗RminEc2.2 .2−1
L=26,4489kmolh
∗3,783
L=100,056kmolh
L=100,056kmolh
∗108,7kgkmol
L=10876,0872kgh
2.3. COLA de la columna
2.3.1. Cantidad de vapor
V=V−f∗F Ec 2.3.1−1
V=13751,1044kgh
−(−0,4892)∗11500kgh
V=19376,9044kgh
2.3.2. Cantidad de liquido
L=L+(1−f )∗F Ec .2 .3.2−1
L=10876,0872kgh
+(1+0.4892 )∗11500kgh
L=16501,8872kgh
3. CALCULO DE LA VELOCIDAD DE INUNDACIÓN3.1. Calculo del vapor y liquido medios
Gm=V +V2
Ec .3.1−1
Gm=13751,1044
kgh
+19376,9044kgh
2
Gm=16564,0044kgh
Lm=L+L2
Ec .3.1−2
Lm=10876,0872
kgh
+16501,8872kgh
2
Lm=13688,9872kgh
3.2. Calculo de densidades3.2.1. Densidad del gas
Tabla 3.2.1-1Datos a la temperatura media
T media Xa Ya°C117,63 0.33 0.45
Tabla 3.2.1-2Datos iniciales del problema
M= y a∗M A+(1− y¿¿a)∗MB Ec3.2.1−1¿
M=0,45∗92,13+(1−0.45)∗114,22
M=104,2795Kgkmol
ρ v=P∗MR∗T
Ec .3 .2.1−2
ρ v=(1atm )∗(104,2795
gmol )
(0.08205atm∗¿mol∗K )∗(273.15+117,63 )
ρ v=3 .2522g¿=3 .2522
kg
m3
3.2.2. Densidad del liquido Tabla 3.2.2-1
Densidad de líquidos a la temperatura media
Componente ρ , kg /m3
C7H8 769,6
No. Componente Fórmula Mi [kg/kgmol]A Tolueno C7H8 92,13B Octano C8H18 114,22
C8H18 621,1
ρl=Σ x i∗ρi Ec .3 .2.2−1
ρl=xa∗ρA+(1−x¿¿a)∗ρB Ec .3 .2 .2−2¿
ρl=0.33∗769,6+(1−0.33 )∗621,1
ρl=670,105kg
m3
3.2.3. Calculo del valor de la abscisa
b= LmGm
∗√ ρ v
ρlEc .3 .2.3−1
b=13688,9872
kgh
16564,0044kgh
∗√ 3.2522kgm3
670,105kg
m3
b=0.058
3.2.4. Determinación de Kv
kv=uG
2
2∗( aε3 )∗( ρ v
ρl )∗( ηlηw )0.2
Ec .3 .2.4−1
Si tenemos b=0.058
Según el diagrama de Anexo(Ver Anexo 1)Kv= 0.15
3.2.4.1. Cálculo de la viscosidad Tabla 3.2.4.1-1
Viscosidad a la temperatura media
Componente T media μ μcP Mezcla
Tolueno 117,63 0,2360 0,2233Octano 0,2171
Tabla 3-1Datos para monturas Intalox de cerámica
Tamaño nominal, in
Densidad global, lb/ft3 a, ft2/ft3 a, m2/m3 Porosidad
ε 1/2 46 190 623.359 0,71
1,00 42 78 255.906 0,73
1 1/2 39 59 193.570 0,76
2 38 36 118.110 0,76
3 36 28 91.864 0,79Fuente: McCABE W, et al., “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, cuarta edición, Ed. Mc Graw-Hill,1998, pág 719
uG=√ kv∗g∗ε3∗ρla∗ρv
∗( ηw
ηl )0.2
Ec .3 .2 .4 .1−2
uG=√ 0.15∗9.8∗0.713∗670,105623,359∗3.2522
∗( 0.2520.2233 )
0.2
uG=0.4221ms
Tabla 3-4Velocidad de inundación para diferentes tamaños de monturas Intalox
4. Calculo del área y diámetro de la columna 4.1. Área de la columna Utilizando la ecuación de continuidad de los gases
Gm=uG∗ρv∗A Ec .4.1−1
A=16564,0044
kgh
uG∗ρv
A=4,6011
kgs
0,4221ms∗3.2522
kg
m3
A=3,3517m2
4.2. Diámetro de la columna
d=√ 4∗Aπ
Ec4.2−1
d=√ 4∗3,3517m2
π
d=2,065m
Tamaño nominal
Área Superficial
Ε Ug Ug/2
pulg m2/m3 m/s m/s1/2 623,539 0,71 0,4221 0,21111 255.906 0,73 0.8039 0,4019
11/2 193.570 0,76 0,8388 0,41942 118,110 0,76 1.0739 0,53693 91,864 0,79 1.2905 0.6453
Tabla 4-1 Resultados de área y diámetro para diferentes tamaños de anillos de Monturas de
Intalox
Tamaño nominal
Área Diámetro
mmpulg
m^2 m
½ 3,3517 2,0651 1,7599 1,4969
11/2 1,6867 1,46542 1,3174 1,29513 1.0963 1,1814
5. CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRASFERENCIA DE MASA EN LA FASE
GASEOSA
Cálculo modelo para diámetro de 1 pulgada ya que está dentro del rango establecido para el
tamaño del relleno según la tabla 5.17.5-1 del folleto de destilación, Ing. J.A. Medina C.
Pág. 44
5.1. Densidad del gas a Tm=117,63°C 5.1.1.
M=(0 . 45)(92 . 13Kg /Kg−mol )+(1−0.45 )(112 ,24kg /Kg−mol )M=84 ,7645Kg /kg−mol
ρ v=P∗MR∗T
Ec5.1−1
ρ v=(1atm )∗(84,7645
gmol )
(0.08205atm∗¿mol∗K )∗(273.15+117,63 )
ρ v=3,3901kg
m3
5.2. Calculo de la viscosidad de la mezcla
Tabla 5.2-1Datos a la temperatura media
T mediaXa Ya
°C117,63 0.33 0.45
Tabla 5.2-2Viscosidad de la mezcla
Componente T media
ϑ ϑmezclaPa.s Pa.s
Tolueno 117,63 2,36×10−4 2,23*10^-5Octano 2,17×10−4
FUENTE: Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds, Knovel, 2003
ϑ mezcla=(Σ y i∗ϑ i
13 )3 Ec .5 .2−1
ϑ mezcla=(0.45∗(2,36×10−4)13 +(1−0.45)∗(2,17×10−4)
13 )
3
ϑ mezcla=2,2542×10−5Pa . s
5.3. Calculo del numero de Reynolds
ℜ=Dp∗uG∗ρv
μmezcla
Ec5.3−1
ℜ=(0.0508m )∗1,0739
ms∗3,3901
kg
m3
2,2542×10−4 Pa. s
ℜ=821,9 7
5.4. Calculo de Jd (Carta de Chilton y Colburn)
Jd∗10−1= kyGm
∗Sc32∗10−1Ec5.4−1
Jd∗10−1=0.0068
5.5. Calculo del numero de Schimdd
Sc=μmezcla
ρv∗Da−bEc .5 .5−1
5.5.1. Calculo de la difusividad de la mezcla Volúmenes del Anexo V C 7 H8=7V C+8V H Ec .5.5.1−2
V C 7 H8=7 (14,8 )+8 (3,7 )
V C 7 H8=133.2cm3 /mol
V C 8 H18=6V C+14 V H Ec5.5 .1−1
V C 8 H18=8 (14,8 )+18 (3,7 )
V C 8 H18=185 cm3/mol
Da−b=0.0043∗T
32
P(Va1/3+Vb1/3)∗( 1
Ma+
1Mb )
12 Ec .5.5 .1−3
Da−b=0.0043∗(273,15+117,63)
32
P(133,21/3+1851/3)2 ∗( 192,13
+1
114,22 )12
Da−b=0.0398cm2
s=3,984×10−6 m
2
s
Tabla 5.5.1-1Resultado de los volúmenes de molécula
Componente T media
Volumen atm
Da-b Da-b
cm3
molcm2
sm2
sTolueno
117,63133,2
0.0398 3.98×10−6
Octano 185
Sc= 2,2542×10−5 Pa. s
3,3901kgm3∗3 ,98×10−6 m
2
s
Sc=1,6706
Jd∗10−1= kyGm
∗Sc23∗10−1Ec5−1
ky=0.0068(16564,0044
kgh )
1,670623∗10−1
Ec5−2
ky=800,0048kgh
ky=800,0048
kgh
∗kmol
107,8Kg∗1
1,3174m2
ky=5,6332kmol
hm2
5.6. Calculo del coeficiente de interdifusión en la fase Gaseosa
Tabla 5.6-1Viscosidad de la mezcla
T media °C
x y* y YBM
117,63 0.33 0.456 0.352 0,5945
YBM=(1− y¿)−(1− y)
¿( 1− y¿
1− y )Ec .5.6−1
YBM=(1−0,456 )−(1−0,352)
¿( 1−0,4561−0,352 )
YBM=0.5945
kg = kyYBM
Ec .5.6−2
kg =5,6332
kmol
hm2
0.5945
kg =9,4755kmol
hm2
6. CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRASFERENCIA DE MASA EN LA FASE LIQUIDA
Tabla 6-1Datos a la temperatura media
T mediaXa Ya
°C117,63 0.33 0.45
Tabla 6-1Datos a la temperatura media
Componente ρ , kg /m3
C7H8 769,6C8H18 621,1
FUENTE: Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds, Knovel, 2003
ρl=Σ x i∗ρi Ec .6−1
ρl=xa∗ρ1+(1−x¿¿a)∗ρ2 Ec .6−2¿
ρl=0.33∗769,6+(1−0.33 )∗621,1
ρl=670,105kg
m3
M=xa∗M 1+(1−x¿¿a)∗M 2 Ec .6−3¿
M=0.33∗92,13+(1−0,33)∗112,24
M=105,6037Kgkmol
6.1. Calculo del la velocidad del liquido
Lm=ρl∗v l∗A Ec .6.1−1
v l=Lmρl∗A
Ec .6 .1−2
v l=13688,9872
kgh
670,105kg
m3∗A
v l=20,4281
m3
h∗1
1,3174m2∗1h
3600 s
v l=0,0043ms
6.2. Calculo del numero de Reynolds
ℜ=Dp∗uL∗ρlμmezcla
Ec .6 .2−1
ℜ=(0.0508m )∗0.0043
ms∗670,105
kg
m3
2,2315×10−4 Pa . s
ℜ=655,96
ℜ=655,960.76
ℜ=863,1053
6.3. Calculo de la difusividad de la mezcla
Da−b=(7,4∗10−8)∗T
μB+Va0,6 ∗(∅∗Mb )
12 Ec .6 .3−1
Da−b=(7,4∗10−8)∗(273,15+117,63)
0.217∗133,20,6 ∗(∅∗112,24 )12
Da−b=6,1668×10−5 cm2
s=6,1668×10−9 m
2
s
6.4. Calculo del numero de Schmidd
Sc=μmezcla
ρl∗Da−b
Ec .6 .4−1
Sc= 2,2315×10−4Pa . s
670,105kgm3∗6,1668×10−9 m
2
s
Sc=54,00
6.5. Calculo de Jd (Carta de Chilton y Colburn)
Jd∗10−1= kxLm
∗Sc0,58∗10−1 Ec .6 .5−1
Jd∗10−1=0.00566.6. Calculo del coeficiente individual de trasporte de masa en la fase líquida
Jd∗10−1= kxLm
∗Sc0,58∗10−1 Ec .6 .6−1
kl= Jd∗10−1LmSc0,58∗10−1 Ec .6.6−2
kl=0,0056∗13688,9872
540,58∗10−1
kl=75,8178kgh
6.7. Calculo del coeficiente de interdifusión en la fase liquida
Tabla 6.7-1
Datos de Equilibrio
T media °C Y x x*
82.47 0.4500 0,252 0,18
XBM=(1−x¿)−(1−x)
¿ ( 1−x¿
1−x )Ec .6.7−1
YBM=(1−0.18 )−(1−0,252)
¿( 1−0.181−0.252 )
YBM=0.7834
kl '= klYBM
Ec .6 .7−2
kl '=75,8178
kgh
0,7834
kl '=96,7804kgh
kl '=96,7804
kgh
∗kmol
108,7Kg∗1
1,317m2
kl '=0,676kmol
hm2
7. CÁLCULO DE LA PENDIENTE
m=y2− y1
x2−x1
Ec .7−1
m=0.0164−0.000.01−0,00
=1.64
Tabla 7-1
Calculo de la pendiente de los datos de Equilibrio
x y m0 0,00 1,64
0,01 0,0164 1,720,03 0,0508 1,63
0,05 0,834 1,530,10 0,160 1,420,15 0,231 1,280,20 0,295 1,220,25 35,6 1,160,30 41,4 1,060,35 46,7 1,000,40 51,7 0,940,45 56,4 0,620,50 0,595 1,020,55 0,646 0,780,60 0,685 0,760,65 0,723 0,740,70 0,760 0,760,75 0,798 0,780,80 0,837 0,80,85 0,877 0,80,90 0,917 0,820,95 0,958 0,8150,97 0,9743 0,8350,99 0,9910 0,9
1 1 1
m= n√m1+m2+…miEc7−1
m= n√1.64∗1.72∗1.63…∗1
m=¿0,31068. COEFICIENTE TOTALES DE TRASFERENCIA DE MASA
8.1. Coeficiente total en la fase liquida
1Kl '
= 1kl '
+ 1kg '∗m
Ec8.1−1
1Kl '
= 1
0.676kmol
hm2
+ 1
9,4755kmol
hm2 ∗0,3106
1Kl '
=1.819
K l'=0,5498kmol
hm2
8.2. Coeficiente total en la fase gaseosa
1Kg'
= 1kg '
+ mkl'
Ec .8 .2−1
1Kg'
= 1
9,4755kmol
hm2
+ 0,3106
0,676kmol
hm2
1Kg'
=0,565
K g'=1,7699kmol
hm2
9. CALCULO DE LA LONGITUD DE LA TORRE DE RELLENO
Z=Nog∗( GmKg '∗a )Ec .9−1
Z=17,634∗( 16564,0044
kgh
∗k mol
107,8kg
1,7699kmolhm2 ∗118,10
m2
m3)
Z=12,962m
Z=Nol∗( LmKl '∗a )Ec .9−2
Z=11.035∗( 13688,9872
kgh
∗k mol
108,7 kg
0,5498kmolhm2 ∗118,10
m2
m3)
Z=21,402m
10. RESULTADOS
Tamaño nominal
Área superficiala,
m2/m3Ɛ uGde T ,
m/s
Área,m2
Diámetro,m
Relleno mm PulgMonturas Intalox de cerámica
50,8
2 118,100,76
1,0139 1,3174 1,2951
Tabla 10.1-1 : Caracterización del Relleno
Tabla 10.1-2: Coeficientes totales del transporte de masa
Tabla 10.1-3: Dimensiones de la columna
Condiciones de
alimentación
TF, ºC
Unidades de Transferencia
Diámetro de la
columna, m
Flujos másicos, kg/h Longitud de la columna
NOG NOL Gm Lm ZG ZL
XW=0,0430 14.30 17,634 1,2951
16564,0044 13688,9872 12,962 21,402XF=0,25
XD=0,88
11. DISCUSION
Al observar los resultados, se puede observar valores muy altos en la longitud de columna, pues se trabaja con grandes flujos másicos, y esto influye en el dimensionamiento de nuestra torre de destilación, así como la naturaleza del sistema a destilar. Los rellenos seleccionados fueron monturas de intalox, de 2 pulgadas, que de acuerdo a los valores estandarizados, se ajusta de mejor manera al diámetro y área de la columna. En la determinación de la velocidad de
K 'G , [k mol /m2h ] K ' L , [Kgmol /m2h ]1 ,7699 0,5498
inundación, se utilizó la carta para la identificación del kv, lo cual depende en gran medida de la apreciación de cada observador, por lo que dicho valor puede influenciar en los demás cálculos. De igual manera los valores leídos en la carta de chilton y colburn. El número de Reynolds obtenido en ambos casos resultó laminar, lo cual favorece al contacto interfacial y a la interdifusión en el sistema. Además es importante recalcar que la efectividad de este método también depende de la calidad del gráfico realizado y de su correcta lectura.
12. CONCLUSIONES
12.1. Se realizó el cálculo para el diseño y especificación de una columna de destilación de rellenos para la separación de Tolueno-Octano con una alimentación de 11500 kilogramos por hora, obteniendo valores demasiado altos de longitud de la torre, por lo cual no sería factible su realización.
12.2. El objetivo principal del relleno es proporcionar una superficie de contacto más amplia entre el vapor y el líquido extractor, de esta manera aumenta su turbulencia y por tanto, mejora su eficacia.
12.3. Los factores que influyen en el diseño de una columna de rellenos, son la selección del tipo y tamaño de relleno, la determinación del diámetro y la altura de la columna, necesarios en función de los flujos de líquido y vapor.
12.4. Para la destilación del presente sistema (Tolueno-Octano), con sus respectivas condiciones de operación al observar los resultados obtenidos, sería más factible aplicar una destilación con columna de platos.
13. BIBLIOGRAFIA
13.1. Mc Cabe, “Operaciones básicas de ingeniería química”,trad inglés,Barcelona, Editorial reverté, 1968.
13.2. Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds, Knovel, 2003
13.3. OCON-TOJO, “Problemas de Ingeniería Química”, Ed. Aguilar, Tomo I, Pág. 344
13.4. COULSON J.M., RICHARSON J.F. Ingeniería Química, Operaciones Básicas. Volumen 1. Editorial Reverté Pág 657-658
13.5. Vian/Ocón, Elementos de la Ingeniería Química, Ed Aguilar, pag 433
14. ANEXOS