TOLUENO-OCTANO CONDICIÓN 3

7/23/2019 TOLUENO-OCTANO CONDICIÓN 3

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UNIVERSIDAD CENTRAL

DEL ECUADOR

FACULTAD DE

INGENIERÍA QUÍMICA

OPERACIONES

UNITARIAS i

DISEÑO DE UNA COLUMNA

DE DESTILACIÓN DE

PLATOS SISTEMA

TOLUENO-OCTANO

VERA CANTOS RAIZA

MISHELLE

SEMESTRE: 5



INTRODUCCIÓNLa destilación constituye un método importante en la obtención de líquidos dealta pureza, y es utilizada ampliamente en el área industrial en todo el mundo,en lo que respecta a la industria petrolera, licorera, entre otras. Además esimportante recalcar que es una de las operaciones unitarias mayormenteestudiadas en la ingeniería química, por tal motivo el presente trabajo vadirigido hacia el diseño de una columna de destilación de platos para unsistema Tolueno-Octano utilizando los datos proporcionados de flujo,composición y temperatura, a través del método gráfico y de Mc Cabe-Thiele,con lo cual se aspira a determinar la factibilidad de destilación de dicho sistema

a partir de los cálculos realizados.



PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Con la finalidad de conocer la efectividad del método de dimensionamiento decolumnas de destilación de platos aprendido en clases, y pretendiendo unmayor entendimiento de la operación de destilación, se procede a que:

Con los datos que se indican a continuación que corresponden al sistemaTolueno-Octano, dimensionar una columna de destilación de flujo continuo.

Sistema: Tolueno-Octano a 1 atmosfera de presión.

F, [kg.h-1] TF, [ºC] x F x D x W

3 11500 30 0,25 0,88 0,04



1. DATOS DE EQUILIBRIO

Tabla 1-1

Datos de equilibrio para el sistema Tolueno-Octano

760mmHg = 1 at

Liq. Mol%Peso%

Del comp.vol.

Temp.ebull.,

ºC(Peso

%)

Vapor Mol% Peso %

Tolueno

0135101520253035404550556065

7075808590959799100

125,40125,11124,59124,04122,65121,24120,15119,21118,29117,34116,40115,63114,88114,13113,40112,82

112,45112,05111,57111,13110,80110,50110,42110,40110,40

0,001,645,088,3416,023,129,535,641,446,751,756,459,564,668,572,3

76,079,883,787,791,795,897,4399,10100,00

0,001,715,078,3316,022,929,435,441,245,551,255,659,763,867,972,4

75,479,583,587,591,695,797,4199,12100,00

Fuente: EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar, Madrid, pág, 363.



2. CÁLCULOS

MASA MOLECULAR Y ESTRUCTURA MOLECULAR

Tabla 2-1

Peso molecular de los componentes del sistema.

Componente Formula Mi [kg/kgmol]

Tolueno C7H8 92,13

Octano C8H18 114,22

Fuente: Tabla periódica.

2.1 Cálculo del peso molecular medio de la alimentación.

ecuación 2.1-1

3. CÁLCULO DE LA ALIMENTACIÓN MOLAR

ecuación 3.-1

4. BALANCE GENERAL DE MASA

ecuación 4-1 ecuación 4-2

kmol

Kg M

M

M X M X M

F

F

H C F H C F F

7,108

22,114*25,01)13,92(*25,0

1 18887

kg

kgmol F

kg

kgmol

h

kg F

7958,105

7,108*11500



h

kmol D

D

h

kmol W

W

W W

W D

W D

4489,26

3469,797968,105

3469,79

840,06514,66

)04,0()7958,105)(88,0()7958,105)(25,0(

7958,105

7958,105

5. CÁLCULO DEL PARÁMETRO f

ecuación 5-1

5.1 Cálculo del Cp medio

Tabla 5.1-1

Datos adicionales de Cp de los componentes de la mezcla a T = 20ºC

Componente Cp, Kcal/KgºC

C7H8 0,4117

C8H18 0,5287

FUENTE: Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic and PhysicalProperties of Chemical Compounds, Knovel, 2003

ecuación 5.1-1

C kg kcal Cp

C kg

kcal

C kg

kcal Cp

º4995,0

º5287,0)25,01(

º4117,0)25,0(



5.2 Cálculo de la entalpía de vaporización media

Tabla 5.2-1

Datos adicionales de de los componentes de la mezcla a T = 20ºC

Componente Kcal/Kg

C7H8 98,7952

C8H18 88,5134


ecuación 5.2-1

kg

kcal

kg

kcal

kg

kcal

0839,91

5134,88)25,01(7952,98)25,0(

5.3 Cálculo del factor f

4892,0

0839,91

)º3021,119(º4995,0

f

kg

kcal

C C kg

kcal

f

6. CÁLCULO DE LA PENDIENTE

ecuación 6-1

0442,3

4892,0

)4892,0(1

m

m

0442,3tan m ecuación 6.-2

8,71



Localización de la pendiente ver en los anexos las gráficas de equilibrio

7. CONSTRUCCIÓN DE RECTA DE ALIMENTACIÓN (Ver en el anexo)

8. CÁLCULO DEL REFLUJO MÍNIMO

184,01min

R

X D ecuación 8-1

783,3

1184,0

88,0

min

min

R

R

9. CÁLCULO DEL REFLUJO TOTAL

ecuación 9-1

698,22

)783,3(*6

T

T

R

R

10. Cálculo de la nueva ordenada

ecuación 10-1

11. DETERMINACIÓN DE LOS PLATOS TEÓRICOS(Ver en Anexos).

Tabla 11-1

Platos Teóricos

Platos # de Platos

Platos totales 15

12. CALCULO DE PLATOS REALES

037,0'

1698,22

88.0'

'1

T

D

R

X



ecuación 12-1

12.1 Determinación de la temperatura media de la columna

Tabla 12.1-1

Temperaturas de cabeza y cola

Composición T,ºC

x D 110,93

x W 124,32

ecuación 12.1-1

63,117

2

93,11032,124

m

m

T

T

12.2 Cálculo de la volatilidad a la temperatura media de la columna

ecuación 12.2-1

De los datos de equilibrio se obtiene las composiciones x e y

Tabla 11.3-3

Composiciones correspondientes a Tm

66,1

)45,01(*33,0

)33,01(*45,0

Tm

Tm

Tm , ºC x Y 117,63 0,33 0,45



12.3Cálculo de la viscosidad a la temperatura media de la columna.

Tabla: 12.3-1

Datos de viscosidad

Compuesto 10-2,[g/cm.s]

C7H8 0,2360

C8H18 0,2171


ecuación

12.3-1

cP

scm

g

scm

g s

cm

g

Tm

Tm

Tm

2233,0

.10

2233,0

.10

2171,033.01.10

2360,033,0

2

3

3

123

12

12.4 Cálculo del producto de la viscosidad por la volatilidad y obtenciónde la eficiencia a partir de la Carta de O, Connell.

3707,0*

)2233,0(*)66,1(*

TmTm

TmTm

De la carta de O’ Connell la eficiencia obtenida es:



Figura 12.4-1

Carta de O’ Connell.

64o %

12.5 Cálculo de los platos reales

44,23

64,0

15

R

R

N

N

13. CÁLULO DEL DÍAMETRO DE LA COLUMNA

13.1 Diámetro de la cabeza

13.1.1 Densidad del vapor



ecuación 13.1.1-1

De la curva de equilibrio:

x D = 0,88

y D = 0,901

Cálculo del peso molecular medio de la mezcla

kmol

kg M

kmol kg

kmol kg M

3169,94

22,114)901,01(13,92)901,0(

3

3

9947,2

º08,384º

082,0

3169,941

m

kg

K K kmol

matm

kmol

kg atm

v

v

13.1.2 Densidad del líquido

Tabla 13.1.2.-1Densidades a la temperatura de la cabeza

Sustancia T,ºC ρ, kg/m

Tolueno110,93

777,73

Octano 627, 5


ecuación 13.1.2-1



3

33

32,759

5,62788,013,77788,0

m

kg

m

kg

m

kg

L

L

13.1.3 Cálculo de G

Figura13.1.3-1 Diagrama de Bround Sounders

Si: DEP = 0,47 = 165

ecuación 13.1.3-1

2

2

1

15,7859

9997,232,7599997,2165

hm

kg

G

G

13.1.4 Cálculo de

ecuación 13.1.4-1



hkg v

kgmol

kg

h

kmol v

h

kmol v

55,11931

3169,94505,126

783,314489,26

13.1.5 Cálculo del área de la cabeza

ecuación 13.1.5-1

2

2

5181,1

15,7859

5678,11931

m A

hm

kg h

kg

A

13.1.6Diámetro de la columna en la cabeza

Ecuación 13.1.6-1

m D

m D

3902,1

5181,14 2

13.2 Diámetro de la cola

13.2.1 Densidad del vapor

ecuación 13.2.1-1

De la curva de equilibrio:

x W = 0,04

y W = 0,0671

13.2.2 Cálculo del peso molecular medio de la mezcla

ecuación 13.2.2-1



kmol

kg M

kmol

kg

kmol

kg M

7571,112

23,114)0671,01(13,92)0671,0(

3

3

4596,3

º47,397º

082,0

7571,1121

m

kg

K K kmol

matm

kmol

kg atm

v

v

13.2.3 Densidad del líquido

Tabla 13.1.2.-1Densidades a la temperatura de la cola

Sustancia T,ºC ρ, kg/m

Tolueno124,32

762,8

Octano 615,5




ecuación 13.2.3-1

3

33

392,621

5,615040,018,762040,0

m

kg

m

kg

m

kg

L

L

13.2.4 Cálculo de

Si: DEP = 0,47 = 165

ecuación 13.2.4-1

2

2

1

9957,7628

4596,3392,6214596,3165

hm

kg G

G

13.2.5 Cálculo de

ecuación 13.2.5-1

h

kg v

h

kg

h

kg v

35,17557

115004892,055,11931

13.2.6 Cálculo del área de la cola

ecuación 13.2.6-1

2

2

4154,2

9957,7268

35,17557

m A

hm

kg hkg

A



13.2.6 Diámetro de la columna en la cola

ecuación 13.1.6-1

m D

m D

7537,1

4154,24 2

14. CÁLCULO DE LA LONGITUD DE LA COLUMNA

ecuación 14-1

m L

L

032,12

)047(6,2)047(0,1)123(47,0

15. RESULTADOS

Tabla 15.1: Resultados

16. DISCUSIÓN

En el proceso de cálculo del dimensionamiento de la columna de platos para elsistema Tolueno-Octano, se realizaron los cálculos según el método utilizado,con lo cual se obtuvieron los respectivos resultados, los cuales muestran que

se requiere un número de platos reales de 23, lo cual es concordante con lalongitud de la columna de 12,032 m, con lo que se puede evidenciar laefectividad del método. Es importante mencionar que para la determinación delreflujo de trabajo la k utilizada (k=6), fue asumida considerando al sistemacomo difícil de destilar, y la distancia entre platos se estimó de 0,47. Estasvariables pueden incidir en los cálculos, ya que dependen de la apreciación decada persona. Además hubo una cierta dificultad para encontrar laspropiedades físico-químicas a determinadas temperaturas, las cuales sonfactores importantes en el cálculo.

NR A(cola),m A(cabeza),m D(cola),m D(cabeza),m L,m

23 2,4154 1,518 1,7537 1,3202 12,032



17.CONCLUSIONES

17.1. El sistema tolueno octano, es considerado como difícil de destilar, por lanaturaleza de sus componentes, lo cual se evidencia al observar la forma de lacurva de equilibrio, la cual posee una pequeña distancia de separaciónrespecto a la diagonal.

17.2. La columna diseñada para el sistema tolueno-octano, a pesar deconstituir un sistema difícil, garantiza la factibilidad para separar dicha mezcla,ya que mediante los cálculos se pudo apreciar la buena eficiencia del equipodiseñado.

17.3.Es importante considerar que la facilidad de destilación de un sistemadepende de la naturaleza de sus componentes, ya que esto determina suspropiedades físico-químicas, las cuales son variables esenciales para eldimensionamiento de la columna.

17.4. Es evidente que el número de platos reales será superior al de platos

teóricos, pues en la realidad el rendimiento de los platos no es del 100%, yaque no llega a alcanzarse el equilibrio plenamente en ellos. Además laeficiencia de la columna va depender también del tipo de plato, propiedadesdel fluido y tipo de fluido.

18.BIBLIOGRAFÍA

(1) Mc Adams,William, “Transmisión de calor”,terc. Edición, Editorial McGraw-Hilll Book Company, INC,New York, Toronto, London, 1964

(2)EMIL, Kirschbaum,”Destilación y Rectificación”, 2da Ed, Editorial Aguilar,Madrid

(3)PERRY,John, “Biblioteca del ingeniero químico”, Editorial Mc Graw Hill,México, 1987.

(4)Mc Cabe, “Operaciones básicas de ingeniería química”,tradinglés,Barcelona, Editorial reverté, 1968.

(5)Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds, Knovel,



19. ANEXOS

19.1. Capacidad Calorífica del Tolueno a la Tf (Ver Anexo 1)

19.2. Capacidad calorífica del octano a la Tf(Ver Anexo 2)

19.3. Entalpía de vaporización del Tolueno a la Tf(Ver Anexo 3)

19.4. Entalpía de vaporización del octano a la Tf(Ver Anexo 4)

19.5. Viscosidad del Tolueno a la Tmedia(Ver Anexo 5)

19.6. Viscosidad del Octano a la Tmedia(Ver Anexo 6)

19.7. Densidad del Tolueno a la Tmedia(Ver Anexo 7)

19.8. Densidad del Octano a la Tmedia(Ver Anexo 8)

19.9. Carta de Brown Sounders(Ver Anexo 9)

19.10. Carta de O´Connel(Ver Anexo 10)

19.11. Diagrama y=f(x) hasta reflujo mínimo(Ver Anexo 11)

19.12 Diagrama y=f(x) con platos numerados(Ver Anexo 12)



Re

UCEFacultad de

Ing. Química

COLUMNA DE DESTILACI N DE PLATOS

Nombres Fecha

Vera Raiza

Púlig Jairo 2013-06-04

2013-05-28Dib

Esc Lam. 1

Anexo 1

Fig 19.1. Capacidad Calorífica del Tolueno a la Tf

FUENTE: Yaws, Carl L. Yaws' Handbook of Thermodynamic andPhysical Properties of Chemical Compounds, Knovel, 2003



Anexo 2

Fig. 19.2 Capacidad calorífica del octano a la Tf


Re

UCEFacultad de

Ing. Química

COLUMNA DE DESTILACIÓN DE PLATOS

Nombres Fecha

Vera Raiza

Púli Jairo 2013-06-04

2013-05-28Dib

Esc Lam. 2



Anexo 3

Fig 19.3 Entalpía de vaporización del Tolueno a la Tf


Re

UCEFacultad de

Ing. Química

COLUMNA DE DESTILACI N DEPLATOS

Nombres Fecha

Vera Raiza


2013-05-28Dib

Esc Lam. 3



Anexo 4

Fig 19.4. Entalpía de vaporización del octano a la Tf


Re

UCEFacultad de

Ing. Química


Nombres Fecha

Vera RaizaPúlig Jairo 2013-04-25

2013-04-18Dib

Esc Lam. 4



Anexo 5

Fig. 19.5. Viscosidad del Tolueno a la Tmedia


Rev

UCEFacultad de

Ing. Química


Nombres Fecha

Vera Raiza


2013-04-18Dib

Esc Lam.5



Anexo 6

Fig. 19.6. Viscosidad del Octano a la Tmedia


Re

UCEFacultad de

Ing. Química


Nombres Fecha

Vera Raiza


2013-04-18Dib

Esc Lam6



Anexo 7

Fig. 19.7 Densidad del Tolueno a la Tmedia


Re

UCEFacultad deIng. Química


Nombres FechaVera Raiza


2013-04-18Di

Esc Lam. 7



Anexo 8

Fig 19.8 Densidad del Octano a la Tmedia


Re

UCE

Facultad deIng. Química


Nombres Fecha

Vera Raiza


2013-04-18Dib

Esc Lam8



Anexo 9

Fig 19.9 Carta de Brown Sounders

FUENTE: Mc Cabe, “Operaciones básicas de ingeniería química”, tradinglés,Barcelona, Editorial reverté, 1968.

Re

UCE

Facultad deIng. Química

COLUMNA DE DESTILACIÓN DEPLATOS

Nombres Fecha

Grupo 4

Londoño P. 2013-04-25

2013-04-18Dib

Esc Lam. 9



Anexo 10

Fig 19.10. Carta de O´Connel

FUENTE: Mc Cabe, “Operaciones básicas de ingeniería química”, tradinglés,Barcelona, Editorial reverté, 1968.

Re

UCEFacultad de

Ing. Química

Nombres Fecha

Vera Raiza


2013-04-18Dib

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TOLUENO-OCTANO CONDICIÓN 3