Chapter 3 Methodology 3.1 Methodology selection
3.2 Using metaphors
Este capítulo describióelequilibrio vapor-líquido y los procedimientos de cálculo para destilación
instantánea de varios componentes. En este momento debe el lector poder alcanzar los siguientes objetivos:
1. Explicar y dibujar el proceso básico de destilación instantánea.
2. Encontrar los datos de equilibrio vapor-líquido que necesite, ert las publicaciones o en la Web. 3. Trazar y usar diagramas y-x, temperatura-composición y entalpía-composición; explicar la rela
ción entre estos tipos de diagrama.
4. Deducir y graficar la ecuación de operación para una destilación instantánea binaria, en un diagrama y-x; resolver, tanto secuencial corno simultáneamente, problemas de destilación ins tantánea binaria.
5. Definir y usar valores K, ley de Raoult y volatilidad relativa.
6. Deducir la ecuación de Rachford-Rice para destilación instantánea de varios componentes y
usarla con convergencia newtoniana para determinar V!F.
7. Resolver problemas de destilación instantánea de varios componentes de manera secuencial.
8. Calcular la longitud y el diámetro de un tambor de evaporación instantánea.
9. Usar tambores de evaporación instantánea existentes para resolver un nuevo problema de se paración .
Referencias 51
REFERENCIAS
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2 2
2
52 Capítulo 2 Destilación instantánea
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TAREA
A. Problemas para discusión
Al. En la figura 2-9, la alimentación es una mezcla de dos fases, mientras que ésta es un líquido antes de entrar a la cámara de evaporación instantánea.Explique por qué.¿Por qué no pue de graficarse la ubicación de la alimentación en forma directa a partir de valores conocidos de TF y z? En otras palabras ¿Por qué hF debe calcularse por separado con una ecuación como la (2-9b)?
A2. ¿Se pueden usar unidades de peso en los cálculos de destilación instantánea en lugar de uni dades molares?
A3. Explique por qué no puede usarse un procedimiento de solución secuencial cuando se espe cifica Talim para un tambor de evaporación instantánea.
A4. En la evaporación instantánea de agua salada, la sal es totalmente no volátil (es la definición del equilibrio). Haga un diagrama de McCabe-Thiele para un agua de alimentación que contenga 3.5% en peso de sal. Asegúrese degraficar la fracción en peso del componente más volátil. AS. Establezca su propia tabla de ecuaciones clave para este capítulo. Esto es, en una página
resuma todo lo que debe saber para resolver problemas de destilación instantánea.Incluya esquemas, ecuaciones y palabras clave.
A6. La presión tiene un ejemplo importante en los tambores de evaporación instantánea.Si au mentara la presión en el tambor,
a. ¿que sucedería con la temperatura del tambor (suponga que y es fija)? b. ¿se alcanza más o menos separación?
c. ¿es mayor o menor el diámetro del tambor?
A7. a. ¿Cómo se vería la figura 2-2 si se graficara y
ciones molares de componente menos volátil)?
en función de x2 (es decir, graficando frac
b. ¿Cómose vería la figura 2-3 sisegraficara Ten funcióndeoy2(el componente menos volátil)?
c. ¿Cómo se vería la figura 2-4 sise graficara H oh en función dey o x (componente menos volátil)?
AS. Para un hidrocarburo típico de cadena lineal,
a. ¿K aumenta, disminuye o permanece igual cuando aumenta la temperatura? b. ¿K aumenta, disminuye o permanece igual cuando se aumenta la presión?
c. ¿K aumenta, disminuye o permanece igual cuando aumenta la fracción mol en la fase
líquida?
d. ¿K aumenta, disminuye o permanece igual cuando el peso molecular del hidrocarburo
aumenta dentro de una serie homóloga ?
Nota: Le ayudará visualizar la gráfica de DePriester para contestar esta pregunta.
A9. ¿Por qué parecen ser distintos los valores de la composición azeotrópica en las figuras 2-3y2-4?
Tarea 53
B. Generación de alternativas
Bl.
Imagine todas las formas en que se puede especificar un problema de destilación binaria instantánea. Por ejemplo, hemos especificado normalmente F, z,T,amb' P,amb" ¿Qué otras com binaciones de variables se pueden usar? (Yo he contado más de 20.) Entonces, imagine cómoresolvería los problemas que resulten.
B2. Hay disponible un tambor de evaporación instantánea. Es vertical , tiene separador de nie blas y tiene 4 pies de diámetro y 12 pies de altura. La alimentación tiene 30% mol de metano! y 70% mol de agua. Se desea obtener un vapor que contenga 50% mol de metanol. La ali mentación es 25,000 lbmoL'hr. La operación es a 1atrn. Como esta alimentación es demasia do alta para el tambor actual ¿qué se puede hacer para obtener un vapor de la composición que se quiere? Diseñe el nuevo equipo para su nuevo esquema. De be usted revisar cuando menos tres alternativas. Los datos son los del problema 2.Dl.
B3. En principio, la medición de los datos de equilibrios vapor-líquido es directa. En la práctica, sin embargo, la medición pued e ser muy difícil. Imagine cómo lo haría . ¿Cómo tomaría las muestras sin perturbar el sistema? ¿Cómo analizaría usted las concentraciones? ¿Qué podr ía estar incorrecto? Busque ideas en su libro de termodinámica.
C. Desviaciones
Cl.
Determine el efecto de la presión sobre ia temperatura, la separación y el diámetro de un tambor de evaporación instantánea.C2.
Despeje V!Fde la ecuación de Rachford-Rice para un sistema binario.C3.
Suponga que se puede calcular la presión de vapor con la ecuación de Antaine y que se pue de usar la ley de Raoult para calcular valores de K.Para un sistema binario de destilación instantánea, despeje la presión del tambor, si la temperatura del tambor y V/F son datos.C4.
Pase las ecuaciones (2-60) y (2-61) a unidades del SI.CS.
Lo convencional es escoger el uso de V!F para trabajar con la ecuación de Rachford-Rice, pero es arbitrario. También podríamos usar L/F, la fracción del líquido residual, como varia ble tentativa. Escriba la ecuación de Rachford-Rice en la forma f (L!F).C6.
Ella destilación instantánea , se evapora parcialm ente una mezcla líquida. También podría mos tomar una mezcla de vapores y combinarla parcialmente. Trace un diagrama esque mático de un equipo de condensación par cial. Deduzca ecuaciones par a este proceso. ¿Son diferentes a las de la destilación instantánea? En caso afirmativo ¿en qué forma?C7.
Tr ace la gráfica de la ecuación (2-40) en función de V/F, para el ejemplo 2-2, para ilustr ar que la convergencia no es tan lineal como con la ecuación de Rachford- Rice.D.
Problemas* Las r es pu estas de los problemas marcados con asterisco están al final de/libro.
Dl.*
Se está separando una mezcla de metano!y
agua en un tambor de evaporación instantánea a 1atm de presión. Los datos de equilibrio están en la tabla 2-7.a.
La alimentación contiene 60% mol de metano!y
40% de ella se evapora. ¿Cuáles son las fracciones molares en vapory
líquido,y
los flujos de esas fases? La tasa de alimentación es 100 kg mol/hr.b. R e pita la parte A con un flujo de alimentación de 1500 kg miles/hr.
c. Si la alimentación contiene 30% mol de metano!y se desea un producto líquido que con tenga 20% mol de metano! ¿qué V/F se debe usar? Para una tasa de alimentación de 1000 lb mol/hr, calcule los flujosy las composiciones de los productos.
d. El tambor de evaporación instantánea tra ba ja de tal modo que la fracción molar en el líquido tiene 45% mol de metano), L
=
1500 kgmol/hr yV IF=
0.2. ¿Cuál debe ser el flujo, ,
,
54 Capítulo 2 Destilación instantánea
TABLA2-7. DATOS DE EQUILIBRIO VAPOR-LÍQUIDO PARA EL SISTEMA METANOL-AGUA (P=1ATM)(%MOL).
Metano! en líquido M etanol en vapor Temp.
oc
o
o
100 2.0 13.4 96.4 4.0 23.0 93.5 6.0 30.4 91.2 8.0 36.5 89.3 10.0 41.8 87.7 15.0 51.7 84.4 20.0 57.9 81.7 30.0 66.5 78.0 40.0 72.9 75.3 50.0 77.9 73.1 60.0 82.5 71.2 70.0 87.0 69.3 80.0 91.5 67.6 90.0 95.8 66.0 95.0 97.9 65.0 100.0 100.0 64.5Fuente: Perryet al.(1965), Pág. 13-5.
e. Calcule las dimensiones de un tambor vertical de evaporación instantánea para el proble ma D-1c.
Datos:Pw
=
1.00 g/cm3Pm,L
=
0.7914 g/cm3 PMw=
18.01,PMm =32.04. Suponga que losvapores son gas ideal.
D2.
*
Se conectan dos cámaras de evaporación instantánea, como se ve en el diagrama. Ambas trabajan a 1atm de presión. La alimentación al primer tambor es una mezcla binaria de metanol
y agua que contiene 55% mol de metano!. La tasa de flujo de alimentación es 10,000 kgmol/hr. El segundo tambor de evaporación instantánea trabaja con (V/F)2
=
0.7, y la composición delproducto líquido es 25% mol de metano!. Los datos de equilibrio aparecen en la tabla 2-7.
r---vl ,-...r...-.., p=1otm p=1otm IO,Ooo.!5.9 moles hr z
=
0.55 r----'--..., 2( )2=
0.7 Bomba Calentadora. ¿Cuál es la fracción evaporada en el primer tambor de evaporación instantánea? b. ¿Cuánto valen yl' y2,X1 T1YT2?
D3. Se está separando una mezcla de metano!yagua en un tambor de destilación instantánea a 1.0
Tarea 55
a. La alimentación contiene 40% mol de metanol y .60% de la alimentación se evapora. Calcule las fracciones molar es
y
las tasas de flujo del va pory
el líquido producidos.
Esti me las temperaturas con interpolación lineal, para líquidosy
vapores del producto.b. La alimentación contiene 40% mol de metano!, y las temperaturas del producto son, ambas, 78.0°C. Calcule las fracciones mol de los productos líquidoy vapor,y V!F.
c. Se quiere tener un producto que contenga 80% mol de metanol y se desea trabajar con VfF
=
0.3. ¿Cuál debe ser la composición de la alimentación?D4.
A un tambor de destilación instantánea se alimentan 100.0 kgmol/día con una composición con 10% mol de etano, 35% mol de n-pentano y 55% mol de n-heptano. La presión del tam bor es 1000 kPa,y
su temperatura es 120°C. Calcule V!F,X¡y
Y;· Use la gráfica de DePriester. DS. Una mezcla binaria de metano!y
agua (55% mol de metano!) se alimenta a un sistema dedos tambores de evaporación instantánea conectados entre sí. El vapor del primer tambor · se enfría