DISEÑO TORRE DE DESTILACION POR PLATOS

DISEÑO TORRE DE DESTILACION POR PLATOS

SISTEMA

METANOL (CH4O)- AGUA (H2O)

Diseño detallado del modulo.

Base de cálculo: composiciones de entrada y salida al sistema, caudales elegidos, energía a entregar/retirar, etc.

Se tomo una base de cálculo de:

F= 2 L/h

XF=0.3

XD=0.95

XW= 0.05

Tabla 1. Datos de equilibrio del metanol-agua % molar (P= 1 atm)

liquido Vapor T(°C)

0 0 100

0,02 0,134 96,4

0,04 0,23 93,5

0,06 0,304 91,2

0,08 0,365 84,3

0,1 0,418 87,7

0,15 0,517 84,4

0,2 0,579 81,7

0,3 0,665 78

0,4 0,724 75,3

0,5 0,779 73,1

0,6 0,825 71,2

0,7 0,87 69,3

0,8 0,95 67,6

0,9 0,958 66

0,95 0,979 65

1 1 64,5

Calculo PM̄

M ̄=X_F M_A+(1-X_F ) M_B

M ̄=0,3*32,04 g/mol+(1-0,3)*18 g/mol=22,212 g/mol

Calculo de los moles de la alimentación F

ρ=X_F ρ_A+(1-X_F ) ρ_B

ρ=0,3*0,786 g/ml+(1-0,3)*1 g/ml=0,1651 g/ml

F=2 l/h (2000 ml/h)(0,9146 g/ml)=1829,2 g/h

F(moles)=F/M ̄ =(1829,2 g/h)/(22,212 g/mol)=88,35 mol/h

Balance de masa global:

F=D+W 88,35=D+W

Balance por componente:

X_F F=X_D D+X_W W 0,3*88,35=0,95D+0,05W

W=(0,3*88,35-0,95D)/0,05

D=88,35-(0,3*88,35)/0,05+0,95/0,05 D

D=24,54 mol/h W=88,35-24,54=63,81 mol/h

Calculo de la fracción liquida.

La masa molecular media del destilado es:

M ̄destilado=0,95*32,04+(1-0,95)*18=31,338 g/mol

El peso del destilado será:

D=31,338*24,54=769.03 g/h

Calor especifico de la alimentación (C)

Dentro del intervalo de temperatura de operación pueden tomarse los valores medios (T̄) para los calores específicos y para los calores latentes a T̄=50°c

Agua: C=0,99 kcal/(kg °C) τ=600 kcal/kg (18kg/1kmol)=10800 kcal/kmol

Metanol: C=0,63kcal/(kg °C) τ=150 kcal/kg (32kg/1kmol)=4806 kcal/kmol

C=0,63 kcal/(kg°C)*0,3*32 kg/kmol +0,99 kcal/(kg°C)*0,7*18 kg/kmol

C=18,522 kcal/(kmol°C)

De los datos de equilibrio se encuentra que la temperatura de ebullición de la mezcla corresponde a la componente F de X=0,3 es de T°=78°C

h(liq)=18,522 kcal/(kmol°C)*78°C= 1444,72 kcal/kmol

h(alimentacion)=18,522 kcal/(kmol°C)*25°C=463,05 kcal/kmol

Hsat-hliq=0,3*4806 kcal/kmol+ 0,7*10800 kcal/kmol=9001,8 kcal/kmol

Hsat-h=9001,8 kcal/kmol-1444,72 kcal/kmol-463,05 kcal/kmol=7094,03 kcal/kmol

∅=(Hsat-hliq)/(Hsat-h)=(9001,8 kcal/kmol)/(7094,03 kcal/kmol)=1,27

∅>1 por lo que la alimentacion es un liquido frio " por debajo de la temperatura de ebullición"

El coeficiente angular de la recta C será:

∅/(∅-1)=4,7 (y-x_f)/(x-x_f )=∅/(∅-1)=(y-0,3)/(x-0,3)=4,7

y=4,7(x-0,3)+0,3 .

Y=R/(R+1) X+X_D/(R+1) ; R=L/D=5

Y=L_m/V_m x-(Wx_W)/V_m L_m/V_m =(y+W/V_m x_W)/x; W=L_m-V_m

Se halla el punto de intersección entre la línea de alimentación y la línea de enriquecimiento:

Y=0,833x+0,1583=4,7x-1,11

0,833x+0,1583-4,7x+1,11=0

-3,867x+1,2683=0; x=0,328 y=0,4316

Ahora sabiendo que:

L_m/V_m =(y-x_W)/(x-x_W )=(0,4316-0,05)/(0,328-0,05)=1,37

Rinterno=V_m/L_m =0,73

L_m=V_m+W=0,73L_m+63,81; L_m=236,33 mol/h

V_m=0,73*236,33=172,52 mol/h

De modo que:

Línea de empobrecimiento

y=L_m/V_m *X-(W*X_w)/V_m

y=1,37*X-(63,81*0,05)/172,52

Trazando las etapas teóricas como se muestra en la figura, el numero de etapas teóricas es 5,01=5, menos el hervidor lo cual da 4 platos teóricos, la alimentación se introduce en el plato 4, contando a partir de la cabeza de la columna.

El número de platos reales incluido el rehervidor es:

Nr=(Nt-1)/∈+1; ∈=eficiencia de 70%

Nr=(5-1)/0,7+1=6,7≈7 platos reales incluiod el calderin

La altura de la torre será tomando una separación entre platos de 5 cm.

H=Nt*AEPT; AEPT=5cm/0,7=7,143 cm

para una torre de platos la AEPT puede definirse como=T/E_0

donde T es el espaciamiento entre platos y E_0 es la eficiencia global del plato

H=5*7,143cm=35,7cm

Para hallar el diámetro de la torre:

El Pm del metanol es 32 g/mol, el punto de ebullición normal es a 65 °c y la densidad del vapor es:

ρ_v=(32*273)/(22,4*338)=1,15 kg/m^3

De Perry, chemical engineers´ handbook, 6ª. Ed; pp 3-188, la densidad de metanol liquido es 810 kg/m^3 a 0°c y 792 kg/m^3 a 20 °c. A 65°c, la densidad estimada ρ_L es 750 kg/m^3. El libro de lange, handbook of chemistry, 9ª, ed, p. 1650, da la tensión superficial del metanol a 20 y 100°c. Por interpolación, a 65°C, σ=19 dina/cm.

Mirando la figura, la abscisa es:

L/V √(ρ_v/ρ_L )=4D/5D √(1,15/750)=0,0313

Para un espaciamiento entre platos de 5 cm según el grafico de la figura 21,26 del libro operaciones unitarias en ingeniería química (Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriot) en la página 741. El kv es de Kv=0,1.

k_v=0,1=U_C*√(ρ_v/(ρ_L-ρ_v )) (20/σ)^0,2

U_C=2,53 ft/s=0,1*√((750-1,15)/1,15) (19/20)^0,2

La velocidad de vapor permisible es

U_C=2,53 ft/s=77,12 cm/s

Flujo de vapor es:

v=L+D; R=L/D

v=5*24,54+24,54=147,24 mol/h=0,14724 kmol/h

v=147,24 mol/h*1h/3600s*(32*〖10〗^(-3))/(1 mol metanol)*(1 m^3)/1,15kg=1,14*〖10〗^(-3) m^3/s

area de burbujeo=(1,14*〖10〗^(-3) m^3/s)/(77,12*〖10〗^(-2) m/s)=1,48*〖10〗^(-3) m^2=14,8 〖cm〗^2

Área de la columna suponiendo que el área de burbujeo sea 0,7 del área total de la columna

(14,8 〖cm〗^2)/0,7=21,14 〖cm〗^2

diametro de la columna D_C=√((4*A)/π)= √((4*21,14)/π)=5,188 cm~5,2 cm

DISEÑO DEL PLATO PERFORADO.

Diámetro del orificio en la literatura (métodos y algoritmos de diseño en ingeniería química) se recomienda de 3 a 12 milímetros; en nuestro trabajo utilizaremos un diámetro de 0,5 cm.

En el plato se hará

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