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DESTILACIN MT. DE McCABE-THIELE

Problemas de Operaciones Unitarias II 2012 - Ingeniera Qumica 1

Destilacin

Problemas

PROBLEMA 1*. Determine en cada uno de los siguientes casos la pendiente de la lnea de alimentacin de una columna de destilacin.

(a) La alimentacin es una mezcla de etanol y agua, 40 % molar de etanol. La corriente est a 200 C y a una presin suficientemente alta como para que sea lquida. Ingresa a la columna pasando por una vlvula, evaporndose instantneamente. La presin en la columna es de 0,968 atm.

(b) La columna de destilacin trabaja a la presin de 1 kgf/cm2. La alimentacin contiene 50 % de etanol en peso y su flujo es de 1 kg/h. esta alimentacin inicialmente es lquida a 250 C y se evapora instantneamente cuando la presin baja al entrar en la columna.

(c) La alimentacin a la columna es vapor sobrecalentado tal que se evapora 1 mol de lquido en el plato de alimentacin para enfriar 5 moles de alimentacin hasta la temperatura de vapor saturado.

PROBLEMA 2. Una columna de destilacin con condensador total y vaporizador parcial separa acetona de etanol. Se desea que la concentracin de acetona en el destilado sea xD = 0,90 y que en las colas sea xB = 0,13, fraccin molar. Suponga que L/V = 0,8 es constante y que la relacin de vapor al fondo V/B = 1,0 es tambin constante. Si la composicin de la alimentacin es 0,3 (todas las composiciones estn en fracciones molares del componente ms voltil), calcule:

(a) la ubicacin ptima del plato de alimentacin;

(b) cuntas etapas se requieren con reflujo total?;

(c) cunto vale L/V)mn y cunto vale L/D)mn?.

(d) Si el rendimiento de Murphree en la fase vapor es 0,75, cuntas etapas se requieren para L/V = 0,8?

Fraccin molar en la fase lquida, xA

Fraccin molar en la fase vapor, yA

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 0,80 0.865 0,90 0,929



PROBLEMA 3*. Una columna de destilacin separa fenol de p-cresol a 1 atm de presin. Se desea que la composicin del destilado tenga una fraccin molar de 0,963 en fenol. Se usa una relacin de reflujo de L/D = 4. Los datos de equilibrio se pueden representar con una volatilidad relativa constante AB = 1,76.

(a) Cul es la composicin de lquido que sale de la sexta etapa de equilibrio abajo del condensador total?

(b) Trace el perfil de composicin del lquido que sale de cada plato, para ambos componentes, en funcin del n de platos de la columna.

PROBLEMA 4. Calcular las composiciones de las fases en equilibrio que abandonan cada etapa, en una columna de rectificacin provista de caldera parcial, condensador total y 3 platos, a la que se alimentan 100 kg/h de una mezcla lquida de agua y cido butrico, calentada hasta su temperatura de burbuja, al 10% en peso de agua, que se introduce en el plato ptimo. Las composiciones (% en peso) del destilado y del residuo son, respectivamente, 79,5% y 1,1%.

(a) Qu razn de reflujo se necesita?

(b) Trace el perfil de composicin del lquido que sale de cada plato, para ambos componentes, en funcin del n de platos de la columna.

Datos: A = 2257 kJ/kg y B = 388 kJ/kg.

PROBLEMA 5*. Una columna de destilacin con condensador total y hervidor parcial separa etanol y agua a 1 kgf/cm2 de presin. La alimentacin tiene una composicin de etanol de 0,32 y est a 30 C. El flujo de alimentacin es de 100 kmol/h. El producto destilado es un lquido saturado que contiene 80 % de etanol. El condensador elimina 2 065 113 kcal/h. Las colas contienen una fraccin de 0,04 de etanol.

(a) Calcule la cantidad de etapas de equilibrio de la columna y la ubicacin ptima del plato de alimentacin.

(b) Manteniendo el nmero de etapas fijo y alimentando un plato por debajo de ptimo, es posible llevar a cabo la separacin deseada?

(c) Manteniendo la relacin de reflujo fija y rediseando la columna, cuntas etapas se necesita para poder alimentar la columna un plato por debajo del ptimo?

Datos: CpLA = 103,04 kJ/(mol K) a 0 C. Todas las composiciones son fracciones molares.

PROBLEMA 6. Una mezcla benceno (A)/tolueno de composicin 36,11% (peso) se trata en una columna de destilacin con condensador total y hervidor parcial para obtener un destilado y un producto de cola de composicin 0,907 y 0,060 fraccin msica, respectivamente.

(a) Si la mezcla de alimentacin es lquido-vapor (ttulo del 50 %) y la relacin de reflujo es un 56 % superior a la mnima, trace la lnea de operacin y determine el nmero de etapas tericas.

(b) Si la mezcla es vapor saturado y se mantiene la relacin de reflujo, trace la lnea de operacin y determine el nmero de etapas tericas.

(c) Igual que en el punto (a), suponga que la alimentacin ingresa un plato por debajo del plato ptimo, qu cambia en la columna?



Fraccin molar en la fase lquida, x

Fraccin molar en la fase vapor, y

0,0 0,000 0,1 0,205 0,2 0,365 vA = 390 kJ/kg 0,3 0,503 0,4 0,615 vB = 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 destilacin con un condensador total y un hervidor parcial. La alimentacin es de 200 kmol/h de una corriente F1 que es vapor saturado de 30 % de etanol. Adems se alimentan 300 kmol/h de una corriente F2, lquido subenfriado, de 40 % molar de etanol. Un mol de vapor debe condensarse dentro de la columna para calentar 4 moles de la alimentacin F2 hasta su punto de burbuja. Se desea que el producto de fondo tenga 2 % de etanol y el destilado 72 % de etanol. La relacin de reflujo externa es L/D = 1 y el reflujo vuelve como lquido saturado. La operacin se realiza a 101,3 kPa y la columna es adiabtica. Todas las composiciones son porcentajes molares.

Determine los lugares ptimos de alimentacin y la cantidad de etapas tericas necesarias en la columna.

PROBLEMA 8. Una columna de destilacin separa metanol y agua a 1 atm de presin. La columna tiene un condensador total y un hervidor parcial. Adems entra una corriente de vapor de agua puro y saturado en la segunda etapa arriba del vaporizador parcial.

La alimentacin es de 2 000 kmol/da y contiene 48 % de metanol y 52 % de agua, ingresando como lquido subenfriado. Por cada 4 moles de alimentacin se debe condensar 1 mol de vapor dentro de la columna. La composicin del destilado es de 92 % de metanol. La relacin de reflujo superior es L/D = 1,0. La composicin de las colas es de 8 % de metanol. La relacin de vapor en el fondo es V/B = 0,5. Todas las composiciones son porcentajes molares.

Calcule el lugar ptimo de la alimentacin y la cantidad total de etapas de equilibrio necesarias.

xA yA 1 1

0,95 0,979859 0,9 0,959642 0,8 0,91893 0,7 0,877565 0,6 0,834803 0,5 0,789119 0,4 0,737483 0,3 0,673604 0,2 0,582753 0,1 0,422079

0,05 0,273584 0 0



Diagrama de Merkel etanol / agua @ 1 kgf/cm2



agua (A) / c. butrico @ 101,3 kPa

Los problemas marcados con un asterisco (*) debern:

- Llevarse resueltos a la clase de problemas.

- Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prcticos de cada alumno, al finalizar la asignatura.

Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3

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