+ All Categories
Home > Documents > Guia Torre de Destilacion

Guia Torre de Destilacion

Date post: 21-Oct-2015
Category:
Upload: sebas-velez
View: 156 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Popular Tags:
21
MANUAL DE LA TORRE DE DESTILACIÓN EMPACADA DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS OPERADA MANUALMENTE Integrantes Deimer Ozuna Vidal Dora Yaneth López Docente Juliana Osorio Echavarría UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
Transcript

MANUAL DE LA TORRE DE DESTILACIÓN EMPACADA DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS OPERADA

MANUALMENTE

Integrantes

Deimer Ozuna Vidal Dora Yaneth López

Docente

Juliana Osorio Echavarría

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

OBJETIVOS

General

o Familiarizar al estudiante en el manejo de una torre de destilación operando en continuo.

o Analizar el fenómeno de transferencia de masa en procesos de destilación. o Realizar balances de materia y energía en una torre de destilación

empacada.

Específicos

o Calcular la altura teórica de la torre o Calcular el flujo de calor intercambiado entre el fluido de proceso y el agua

de enfriamiento. o Calcular el flujo de calor suministrado al rehervidor mediante un balance de

energía.

MARCO TEÓRICO [1-4] La destilación conserva una posición destacada entre las operaciones unitarias en la ingeniería química; a pesar de la aparición en los últimos años de muchas nuevas técnicas de separación (por ejemplo, membranas). De hecho, al momento de elegir un dispositivo de separación; la primera pregunta que por lo general se hace el ingeniero es: ¿Por qué no una destilación? Las aplicaciones industriales de la destilación son entre otras cosas el fraccionamiento del petróleo crudo para aplicaciones específicas, por ejemplo: transporte, generación de energía y calefacción. El agua se destila para quitar impurezas tales como sal; cuando se trata de agua de mar. El aire es destilado para separar sus componentes para el uso industrial. En la industria de bebidas se usa la destilación para concentrar el alcohol fermentado. La destilación se lleva a cabo con mayor frecuencia en columnas de platos, aunque las columnas empacadas han sido durante mucho tiempo la opción preferida cuando la caída de presión es una consideración importante. En los últimos años, el desarrollo de los empaques estructurados altamente eficientes, ha llevado a un aumento en el uso de columnas empacadas. Una torre empacada consiste en una coraza cilíndrica, o columna, equipada con sistemas de alimentación y distribución de las fases, así como con dispositivos para la salida en el fondo y en la cima. Cuenta con un lecho de sólidos inertes que constituye el empaque. El

vapor generado en el rehervidor ingresa por el fondo de la columna y asciende a través del área transversal libre, en tanto el fluido líquido proveniente de la condensación en el tope de la columna desciende. Debido a diferencias de potencial químico se da el fenómeno de trasferencia de masa. El empaque constituye el elemento principal de esta clase de columnas. Por lo general un lecho empacado está formado por piezas discretas orientadas al azar, aunque para un creciente número de aplicaciones se utiliza empaque estructurado, que se coloca o ensambla cuidadosamente en la columna hasta alcanzar la altura necesaria. En general los empaques estructurados tienen mayores eficiencias y capacidad y presentan menor caída de presión por etapa que los empaques al azar. Sin embargo la eficiencia y la capacidad de los empaques estructurados disminuyen rápidamente al aumentar la presión o la velocidad del líquido, con lo cual se reduce su ventaja sobre los empaques al azar.

PROCEDIMIENTO PARA OPERAR LA TORRE DE

DESTILACION

1. Abrir la válvula de bola que está en la tubería azul (tubería de aire), ubicada entre

el panel de control y la pared de la oficina del técnico de laboratorio, y verificar si

hay aire comprimido.

2. Pedir al técnico: Botellas de etanol industrial, alcoholímetro, termómetro,

embudo, 2 probetas, 1 beaker, 1 trapo, 1 cronómetro, 1 flexómetro, guantes.

3. Preparar la mezcla de alimentación etanol-agua según el rango de composición

que se le asignó a su grupo (ver tabla 1), la composición (%v/v y grados Cartier) se

mide con el alcoholímetro. Se Debe preparar entre 50 y 60 litros de mezcla

(aproximadamente dos terceras partes de la caneca de almacenamiento).

4. Retirar la mezcla etanol-agua (de prácticas de laboratorio pasadas) contenida en el

rehervidor abriendo las válvulas VB102 y VB103 y la que se encuentra en el tanque

de alimentación manteniendo abierta la válvula VB127 y cerrada la válvula VB128 .

Una vez se encuentren completamente vacíos tanto el rehervidor como el tanque

de alimentación; cerrar las válvulas VB103 Y VB127.

5. Llenar el rehervidor con la mezcla preparada en el paso 3 por la válvula VB102

como lo explica el siguiente esquema:

Y llenar el tanque de alimentación poco más de la mitad de su capacidad

6. Verificar que las válvulas VB101, VB102, VB104, VB116, VB118, VB119, Y VB123

estén cerradas y abrir las válvulas VB128 y VB117.

7. Abrir la caja de control y encender el regulador (botón rojo) y subir los breakers

azules. Después de esto, cerrar la caja de control.

8. Encender el tablero de la caja de control al mismo tiempo girando a la derecha y

halando; a la perilla “APAGADO EMERGENCIA”.

9. Girar a la izquierda las perillas de “ALIMENTANCIÓN” y “BOMBAS”

No girar la perilla “BOMBA VACÍO”

10. Girar a la izquierda las perillas de las válvulas solenoides S1, S4, S8 Y S9 y de

acuerdo al punto de alimentación que se le asignó a su grupo abrir la válvula

solenoide S3, S5 ó S6 (ver tabla 1).

11. En la pantalla de la caja de control presionar el botón “INICIO”

12. Luego presionar el botón “MANUAL”

13. En la pantalla que aparezca introducir un valor de 100 para la resistencia,

introducir el valor del caudal de la bomba de reflujo especificado en la tabla 1. El

caudal de la bomba de alimentación se deja en cero.

14. Una vez introducido los valores del paso 13, presionar el botón señalado en la

figura, inicialmente dice “MODO MANUAL DESACTIVADO”, al presionarlo

cambiará a “MODO MANUAL ACTIVADO”.

Tener mucho cuidado de no presionar accidentalmente el botón

“SALIR” en esta pantalla.

NOTA 1: En esta pantalla al presionar el botón “PROCESO” el usuario tiene la posibilidad de visualizar el estado del proceso, aparecerán las siguientes opciones para elegir: ALIMENTO REHERVIDOR TORRE CONDENSADOR REFLUJO VOLVER

15. Cuando la temperatura del vapor generado en el rehervidor supere los 60ºC abrir

totalmente la válvula del agua de enfriamiento VB200.

16. Esperar que empiece a llegar destilado a la mirilla (esto puede tardar 80 minutos

aproximadamente después de realizado el paso 14). Cuando esto ocurra introducir

el flujo de alimentación asignado a su grupo, este valor debe ser introducido en la

pantalla mostrada en el paso 14.

Como el valor del flujo de alimentación mostrado en esta pantalla no es

confiable es pertinente medirlo experimentalmente. ¿Cómo hacerlo?

Fijarse que la válvula VB128 esté abierta y la válvula VB101 y VB 127

estén cerradas

17. Hasta el paso 16, la torre está operando en forma semicontinua, es decir, hay

entrada de alimento pero no hay salida ni de cola ni de destilado. Por tanto es

menester una vez que la mirilla esté llena poco más de la mitad de su capacidad,

poner a funcionar a la torre en forma continua. ¿Cómo hacerlo?

Tratar de que el flujo de cola sea muy pequeño, prácticamente un hilo de

agua para que la torre no demore tanto en llegar al estado estacionario.

18. Una vez esté estable el sistema operando en forma continua, se procede a la toma

de datos: Se mide el caudal (probeta y reloj), la concentración en % V/V y grados

Cartier (probeta y alcoholímetro) y la temperatura (termómetro) de destilado y de

colas.

Tomar todos los datos que proporciona la caja de control (Ver NOTA 1 del paso 14)

- En el rehervidor: Potencia entregada a la resistencia, temperatura de los

vapores generados y temperatura de descarga de los fondos.

- En la Torre: Perfiles de temperatura de la torre

- En el condensador: Temperatura de entrada y de salida del fluido de proceso.

- En el Reflujo: Temperatura del reflujo, el flujo de productos (destilado), el flujo

del reflujo y el flujo de condensados totales provenientes del condensador.

No olvidar la medida experimental del flujo de alimentación sugerida en

el paso 16.

19. Tomar datos de presión y temperatura en el laboratorio.

PROCEDIMIENTO PARA APAGAR LA TORRE DE

DESTILACION

1. En la pantalla del paso 14, Colocar el valor de la resistencia en cero.

2. Ir al tablero y girar a la derecha las perillas de todas las válvulas solenoides que

estén abiertas, luego la perilla de “BOMBAS” y por último la perilla de

“ALIMENTACIÖN”.

3. Presionar la perilla “APAGADO EMERGENCIA” de tal modo que quede apagada.

4. Abrir la caja de control y apagar el regulador (botón rojo) y bajar los breakers

azules

5. Abrir las válvulas VB117, VB118, VB119 y VB122.

6. Esperar 15 minutos y luego cerrar la válvula VB200.

TABLA 1: PARÁMETROS DE TRABAJO PARA CADA GRUPO.

GRUPO COMPOSICION ALIMENTO (%V/V)

CAUDAL DE ALIMENTO

(L/H)

PUNTO DE ALIMENTACIÓN

CAUDAL DE REFLUJO (L/H)

1 10-13 10 2 7

2 13-16 10 2 7

3 10-13 10 3 7

4 13-16 10 3 7

DATOS

ALIMENTO

%V/V Grados Cartier Temperatura

Δ nivel del tanque Tiempo Diámetro del tanque de alimentación□

□ Se deben tomar varios diámetros internos debido a que el tanque de alimentación es “irregular”

DESTILADO

Volumen recolectado Tiempo %V/V Grados Cartier Temperatura

COLA

Volumen recolectado Tiempo %V/V Grados Cartier Temperatura

PERFILES DE TEMPERATURA DE LA COLUMNA

Fijarse qué temperaturas están en la zona de agotamiento y qué temperaturas en la zona de enriquecimiento

Temperatura 5

Temperatura 4

Temperatura 3

Temperatura 2

Temperatura 1

REHERVIDOR

Potencia eléctrica

Temperatura del vapor generado

Temperatura de descarga de los fondos

REFLUJO

Flujo de condensados totales

Flujo de producto (destilado)**

Flujo del reflujo**

Temperatura del reflujo

** Poco confiables estos datos

CONDICIONES AMBIENTALES

Temperatura

Presión

CONDENSADOR

Temperatura del vapor proveniente de la torre

Temperatura de salida del fluido de proceso del condensador

DIAGRAMA DEL EQUIPO

MODELO DE CÁLCULO La longitud total de la torre será: 𝑍 = 𝑧𝑒𝑛𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑧𝑎𝑔𝑜𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

A continuación se muestra en forma genérica cómo calcular la longitud de cada zona de la torre: 𝑧 = 𝐻𝑇𝑂𝐺 ∗ 𝑁𝑇𝑂𝐺

𝑁𝑇𝑂𝐺 = ∫𝑑𝑦

𝑦∗ − 𝑦

𝑦¿?

𝑦¿?

𝐻𝑇𝑂𝐺 =𝑉′

𝑘𝑦𝑎ℎ𝑆

𝑆 =𝜋𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒

2

4

Línea de operación en la zona de enriquecimiento

𝑦 =𝑅

𝑅 + 1𝑥 +

𝑥𝐷

𝑅 + 1

Línea de operación en la zona de agotamiento

𝑦 = [𝑅𝐷 + 𝑞𝐹

(𝑅 + 1)𝐷 − (1 − 𝑞)𝐹] 𝑥 + [

𝑊

(𝑅 + 1)𝐷 − (1 − 𝑞)𝐹] 𝑥𝑤

Línea de equilibrio

𝑦∗ = [𝛾𝑃𝑠𝑎𝑡

𝑃] 𝑥

Cálculo de parámetros

𝑘𝑦 = 0.1304 (𝐶𝑣𝐷𝐺

𝑅𝑈𝑇) (

𝑎

√𝜉(𝜉 − ℎ𝐿)) (

𝑅𝑒𝐺

𝑘𝑤)

0.75

𝑆𝑐𝐺2/3

ℎ𝐿 = (12𝐹𝑟𝐿

𝑅𝑒𝐿)

1/8

(𝑎ℎ

𝑎)

2/3

𝑎ℎ = 𝑎𝐶ℎ𝑅𝑒𝐿0.8𝐹𝑟𝐿

0.1 𝑠𝑖 𝑅𝑒𝐿 < 5

𝑎ℎ = 0.85𝑎𝐶ℎ𝑅𝑒𝐿0.25𝐹𝑟𝐿

0.1 𝑠𝑖 𝑅𝑒𝐿 ≥ 5

𝐹𝑟𝐿 = 𝑎𝑣𝐿

0.8

𝑔

𝑅𝑒𝐿 =𝑣𝐿𝜌𝐿

𝑎𝜇𝐿

𝑅𝑒𝐺 = 𝑣𝐺𝑑𝑝𝜌𝐺

𝑘𝑤

(1 − 𝜉)𝜇𝐺

𝑆𝑐𝐺 = 4𝜇𝐺

𝐷𝐺𝜌𝐺

𝑣𝐿 = 4𝑄𝐿

𝜋𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒2

𝑣𝐺 = 4𝑄𝐺

𝜋𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒2

𝑘𝑤 =1

1 +23 [

𝑑𝑝

(1 − 𝜉)𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒]

𝑑𝑝 = 6 (1 − 𝜉

𝑎)

𝑅𝑈 = 8.314 𝑃𝑎 ∗ 𝑚3

𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾

𝑔 = 9.8 𝑚

𝑠2

𝑎 = 356 𝜉 = 0.955 𝐶𝑣 = 0.336

𝐶ℎ = 1.338 𝐶𝐿 = 1.44 Para el cálculo de 𝜇𝐿 , 𝜌𝐿 usar la referencia [5]. Estos valores serán un promedio entre el destilado y el alimento para la zona de enriquecimiento y un promedio entre el alimento y la cola para la zona de agotamiento Para el cálculo de 𝜌𝐺 y 𝜇𝐺 se usarán los valores de la mezcla gaseosa del tope físico de la torre en el caso de la zona de enriquecimiento, y los valores de la mezcla gaseosa generada en el rehervidor en el caso de la zona de agotamiento. Para el cálculo de la difusividad 𝐷𝐺 del etanol en la mezcla gaseosa, buscar la ecuación que mejor se adecúe a la mezcla etanol-agua, y debe calcularse a la temperatura promedio de la zona de la torre respectiva. El diámetro interno de la torre 𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 se debe consultar con el técnico del laboratorio. La presión de saturación del etanol puro 𝑃𝑠𝑎𝑡 debe ser calculada a la temperatura promedio de la zona de la torre respectiva. Los caudales 𝑄𝐿 y 𝑄𝐺 deben ser calculados para cada zona de la torre respectiva. Para el flujo molar del gas 𝑉′ se usará el valor de la mezcla gaseosa del tope físico de la torre en el caso de la zona de enriquecimiento, y el valor de la mezcla gaseosa generada en el rehervidor en el caso de la zona de agotamiento. Para el cálculo de 𝛾 se usará el promedio entre el destilado y el alimento para la zona de enriquecimiento y un promedio entre el alimento y la cola para la zona de agotamiento NOTA: No usar simuladores como Aspen Plus y Pro II para el cálculo de las propiedades

PREGUNTAS

1. Calcular el flujo de calor intercambiado entre el fluido de proceso y el agua de enfriamiento

2. ¿Es posible considerar en este experimento la idealidad en la fase vapor y tratar a la fase líquida como solución ideal?. Sustente su respuesta con cálculos.

3. Por medio de un balance de energía calcular el flujo de calor suministrado a la mezcla contenida en el rehervidor y compararlo con la potencia eléctrica

suministrada a la resistencia. ¿Son iguales?, si difieren dar una explicación al respecto.

4. Calcular la razón de reflujo

5. ¿En este experimento es admisible considerar flujo volumétrico de la corriente líquida y gaseosa constante a lo largo de toda la torre?. Explique su respuesta

6. ¿Por qué las torres más comunes han sido las torres de platos? ¿Qué ventajas y desventajas tienen en comparación a las torres empacadas?

7. Un ingeniero propuso el siguiente esquema para una torre de destilación. Argumentaba que el fluido de servicio que sale del condensador; sale caliente, por lo tanto se podría usar como único medio de calentamiento en el rehervidor para evaporar a la mezcla contenida en éste. ¿Funcionará esta torre como lo dice el ingeniero?, ¿funcionaría si el alimento no fuese una mezcla sino un líquido puro? Explique su respuesta.

DEFINICIÓN DE VARIABLES 𝑍 Altura de la torre (m) 𝑧𝑒𝑛𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Longitud de la zona de enriquecimiento (m)

𝑧𝑎𝑔𝑜𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Longitud de la zona de agotamiento (m)

𝐻𝑇𝑂𝐺 Altura de una unidad de transferencia global (m) 𝑁𝑇𝑂𝐺 Número de unidades de transferencia del gas (adimensional) 𝐷𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 Diámetro interno de la torre (m) 𝛾 Coeficiente de actividad de la mezcla líquida en cada zona de la torre D Flujo molar del destilado (mol/seg) 𝑊 Flujo molar de la cola (mol/seg) 𝑃𝑠𝑎𝑡 Presión de saturación del etanol puro a la T de cada zona de la torre (Pa) 𝑥𝐷 Fracción mol del etanol en el destilado 𝑆 Area transversal de la torre (m2) 𝑥𝑤 Fracción mol del etanol en la cola P Presión de operación de la torre (Pa) F Flujo de alimento (m/seg) 𝑦 Fracción mol del etanol en la mezcla gaseosa en un punto determinado 𝑥 Fracción mol del etanol en la mezcla líquida en un punto determinado 𝑦∗ Fracción mol del etanol en la mezcla gaseosa, en equilibrio con 𝑥 𝑉′ Flujo molar promedio del gas a lo largo de la torre (mol/seg) 𝑘𝑦 Coeficiente de transferencia (mol/m2

*seg)

𝑅𝑈 Constante universal de los gases (Pa*m3/mol*K) 𝐷𝐺 Difusividad del etanol en la mezcla gaseosa en cada zona (m2/seg)

𝑅𝑒𝐺 Reynolds de la mezcla gaseosa en cada zona de la torre 𝑘𝑤 Factor de pared en cada zona de la torre (adimensional) 𝑆𝑐𝐺 Número de Schmidt de la mezcla gaseosa en cada zona de la torre T Temperatura de cada zona de la torre (K) R Razón de reflujo externa 𝑅𝑒𝐿 Reynolds de la mezcla gaseosa en cada zona de la torre 𝑞 Fracción de la fase líquida en el alimento 𝑎ℎ Factor área/volumen de empaque mojado (m2/m3) 𝑣𝐿 Velocidad lineal de la mezcla líquida en cada zona de la torre (m/seg) 𝑣𝐺 Velocidad lineal de la mezcla gaseosa en cada zona de la torre (m/seg) 𝑑𝑝 Factor tamaño de partícula (m)

𝜎 Tensión superficial en cada zona de la torre g Aceleración de la gravedad (m/seg2) 𝜇𝐿 Viscocidad dinámica de la mezcla líquida en cada zona (Kg/m*seg) 𝜇𝐺 Viscocidad dinámica de la mezcla gaseosa en cada zona (Kg/m*seg) 𝜌𝐿 Densidad de la mezcla líquida en cada zona (Kg/m3) 𝜌𝐺 Densidad de la mezcla gaseosa en cada zona (Kg/m3) 𝑄𝐿 Caudal de la mezcla líquida en cada zona (m3/s) 𝑄𝐺 Caudal de la mezcla gaseosa en cada zona (m3/s)

𝐹𝑟𝐿 Número Froude en la mezcla líquida en cada zona de la torre 𝑎 Parámetro del empaque 𝜉 Parámetro del empaque 𝐶𝑣 Parámetro del empaque 𝐶ℎ Parámetro del empaque 𝐶𝐿 Parámetro del empaque

BIBLIOGRAFÍA

[1]. King, C. J: “Separation Processes”, 2ed., McGraw-Hill, New York, 1980 [2]. Manual de operación de la torre de destilación, Facultad de ingeniería, UdeA [3]. Benitez, J: “principles and modern applications of mass transfer operations”, 2ed,

2009 [4]. Siegler, H: “Diseño de un módulo para el dimensionamiento hidráulico de torres

empacadas”, Tesis de grado, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Agosto 2003.

[5]. Pérez, O. O: “Evaluación de propiedades físicas de mezclas etanol-agua (II)”. Rev.

Fac. Ing. Univ. Antioquia N.° 52 pp. 62-74. Marzo, 2010


Recommended