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Descripción completa
Trabajo de Diseño de procesos.
Torre Fraccionadora.
En este problema se tomara una torre fraccionadora de platos perforados a la cual se le alimentarán 40000 kg/hr de una u na solución de heptano-octano que con tiene 60% peso de heptano y 40% de octano, esta mezcla se alimenta a una temperatura de 80°C, la cual se rectificará continuamente a una presión de 1 atm, se obtendrá un destilado de 97.5% en peso de heptano y un residuo de 2% del mismo compuesto. La alimentación de ha de precalentar con el residuo que sale de la torre el cual sale a una temperatura de 105°C. Se tiene una relación de flujo de 1.5 al reflujo mínimo. Se debe hacer el diseño preliminar de la torre para las dos secciones de enriquecimiento y de agotamiento (considerando el diseño más pequeño).
Determinar diámetro de la columna, espaciamiento de platos y las características características de los platos (patrón de flujo, longitud del vertedero y área de perforaciones).
Podríamos considerar como el diseño de nuestra torre de esta manera.
Trabajo de Diseño de procesos.
Cálculos por método McCabe-Thiele.
1.- Cálculo de X F, XD y XW en moles para el heptano.
F= F (Kg/hr) / PM (Kg/Kmol) = 40000/98.39= 406.54 Kmol/hr. - Cantidad de Destilado.
Podemos usar la fórmula F=D+W de la cual se desglosa F*X D =D*XD + W* XW Ahora se deduce que D = F D = 406.54
= 258.8272 Kmol/hr
D = 258.8272 kmol/hr * 100.31 kg/Kmol = 25962.9564 Kg/hr. - Cantidad de Residuo.
F = D +W W= F –D W = 40000 – 25962.9564 = 14037.0436 Kg/hr.
2.- Cálculo de la condición térmica de la alimentación (q).
Ahora se calcula la temperatura que entra la mezcla a la torre (Tf). WCp (Tf-To) = WCp (Tw-Tws)
Tf= Temperatura de alimentación a la columna de la solución ºC To= Temperatura inicial de la mezcla= 80ºC Tw= Temperatura del residuo (del diagrama de equilibrio usando el dato Xw=0.0227) = 124.5ºC Tws= Temperatura del residuo una vez que precalienta la mezcla de alimentación = 105ºC
(40000 Kg/hr*0.5351)*(Tf-80) = (14037.0436*0.5347)*(124.5-105) Tf = 86.83 °C - Estado de la mezcla a la alimentación, (q).
Se usa la fórmula dada para q. q=
Dónde: hf= Entalpia de la alimentación como entra a la columna = Kcal/Kg Hv= Entalpia de la alimentación como un vapor saturado = Kcal/Kg hl= Entalpia de la alimentación a su temperatura de ebullición = Kcal/Kg
Resolviendo para q. q = (17951.93 –366.61)/(17951.93-1449.25) = 1.0656 La solución se está alimentando a la columna como líquido subenfriado. Por lo que: m= q/(q-1) = 1.0656/(1.0656-1) = 16.25° arctan (16.25°)= 86.47°
3.- Cálculo del reflujo mínimo.
Para el cálculo del reflujo mínimo se usará la ecuación. B = XD / Rm+1 Para usar la fórmula debemos encontrar b en el diagrama de equilibrio. B= 0.43 Por lo tanto: 0.43= 0.9780/ Rm+1 Rm=1.2744 Rop= 1.5 (1.2744) => Rop = 1.9116
Cálculo de número de platos teóricos.
Con los datos ya calculados Rop y XD, podemos conocer B’. B’ = XD / Rop +1 = 0.9780 / 1.9116+1
Trabajo de Diseño de procesos.
B’ = 0.3358 Empleando el diagrama de equilibrio de Heptano-Octano y los datos calculados hasta el momento podemos conocer el número de platos teóricos. *Los diagramas se anexarán en la parte final del diseño. NPT = 18
En este punto se hace un balance de materia para el Domo y para el Fondo. Esto con el fin de poder calcular el diámetro de la columna.
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Balance de materia para el domo. V= L + D; L = Rop*D V= D (Rop)+D Por lo tanto: V = D (Rop+1)
D = 258.8272 Kmol/hr. TD = 99°C Rop=1.9116 V = 258.8272 (1.9116+1) = 753.60 Kmol/hr L = V – D = 753.60 – 258.8272 = 494.77 Kmol/hr Pendiente L/V = 0.6565
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Balance para el fondo. V’-V= F (q-1) L’-L= F*q V’= F (q-1)+ V
L’ = V’ W = 780.27 147.71 = 927.98 Kmol/hr Pendiente de L’/V’ = 1.1893
Cálculo para el diseño del domo. Propiedades físicas necesarias para la determinación del domo.
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Tensión superficial del heptano.
Dónde:
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= Tensión superficial [dinas/cm]
σ
Pc= Presión Crítica= 27.4 bar Tc= Temperatura Crítica= 540.2 ºK T= Temperatura en D = 99°C = 372.15°K Tr= Temperatura reducida = T/Tc= 372.15ºK/540.2ºK= 0.6889 Tbr= Teb/Tc= 371.57ºK/540.2ºK= 0.6878 No se tiene el dato de Q por lo cual se debe calcular mediante la ecuación. Q= 0.1196
Como el octano se considera un compuesto puro se hace el mismo cálculo para el Octano. Dónde: σ= Tensión superficial *dinas/cm+ Pc= Presión Crítica= 24.9 bar Tc= Temperatura Crítica= 568.7 ºK
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T= Temperatura en W = 124.5°C = 397.65°K Tr= Temperatura reducida = T/Tc= 397.65ºK/568.7ºK= 0.6992 Tbr= Teb/Tc= 398.82ºK/568.7ºK= 0.7012
Para determinar el diámetro de la columna, se debe tener una relación entre la velocidad de flujo con la corriente de vapor, si la corriente de vapor es mayor a la velocidad de flujo se puede tener causar inundamiento en la torre y caídas de presión indeseables para el proceso. Se debe tener una mayor velocidad de flujo que de vapor. Se determinará una velocidad de inundación del 85% con esto se fijará también una mayor velocidad de vapor.
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Cálculo de la velocidad de inundamiento (Uf).
√ Dónde: Uf= Velocidad de Inundamiento = [m/s] ρmezV= Densidad de la mezcla en estado vapor. ρmezL= Densidad de la mezcla en estado Líquido. K1 = Parámetro de Capacidad (Lygeros y Magoulas)
