UNEFM TECNOLOGÍA OPERACIONES UNITARIAS

1. OPERACIONES UNITARIAS II
UNIDAD II: DESTILACION FRACCIONADA
METODO McCABE-THIELE
Se va a fraccionar 1000 lb/h de una solución de acetona-agua, que contiene 25% en peso de acetona, a 1
atm de presión. Se desea recuperar el 99,5% de la acetona en el destilado a una concentración de 99%
en peso. La alimentación se va a tener a 26,7 ºC y se va a precalentar mediante un intercambio de calor
con el producto residual del fraccionador, que a su vez se va a enfriar a 51,7 ºC. Los vapores destilados se
van a condensar y enfriar a 37,8 ºC mediante agua de enfriamiento que entra a 26,7 ºC y sale a 40,6 ºC. El
reflujo va a regresar a 37,8 ºC con una relación de Ropt/Rmin igual a 2.27. Se va a utilizar vapor de agua
indirecto como medio de calentamiento en el rehervidor a 1.5 Kgf/cm2
. La torre va a estar aislada para
reducir la perdida calorífica a valores despreciables. Calcule:
a. El flujo y composición del destilado, reflujo y residuo, por hora
b. La carga calorífica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora
c. La entalpía de la alimentación al entrar en la torre y su condición térmica (expresada
cuantitativamente)
d. La carga calorífica del rehervidor y el flujo de vapor de agua , por hora
e. Número de etapas a reflujo total
f. El número de platos ideales requeridos si la alimentación se introduce en la ubicación optima.
g. Ubicación del plato de alimentación y las composiciones del flujo de liquido y vapor en equilibrio
h. El numero de platos reales si la eficiencia global es de 60%
T, ºC 20 37,8 65,6 93,3 100
Capacidad calorífica acetona, kJ/kg.ºc 2,22 2,26 2,34 2,43
Calor latente evaporación, kJ/kg 1013 976 917 863 850
Solución:
Esquema del proceso especificado

2. Calculo de las composiciones y flujos de la corriente de alimentación, destilado y residuo en unidades
molares:
PMAcetona = 58 kg/kmol PMAgua = 18 kg/kmol
xF = 0,09375
xD = 0,9685
PMmezcla,F = 0,09375(58) + 0,90625(18) = 21,75 kg/kmol
PMmezcla,F = 21,75 kg/kmol
PMmezcla,D = 0,9685(58) + 0,0315(18) = 56,74 kg/kmol
PMmezcla,D = 56,74 kg/kmol
F = 208,547 kmol/h
D = 20,086 kmol/h
Realizando un balance global de materia en la columna
F = D + B ======> 208,547 kmol/h – 20,086 kmol/h = B
B = 188,4607 kmol/h
Balance por componente:
F.XF = D.XD + B.XB ======> XB = (F.XF - D.XD )/ B
XB = [208,547 kmol/h(0,09375) - 20,086 kmol/h(0,9685)]/ 188,4607 kmol/h
XB = 5.1994 x 10-4
Calculo del calor retirado en el condensador, qC:
Balance global de materia en el condensador, entorno II:
V = L + D; dividiendo ambos términos de la ecuación por D, se obtiene: V = D(R + 1)
Ropt/Rmin = 2.27 ===> Ropt = 2.27 Rmin

3. Trazando en la grafica x-y para acetona – agua el Rmin
Obteniéndose el corte con el eje Y igual a XD/ (Rmin +1) = 0.54 despejando queda Rmin = (XD/0.54) – 1
Rmin = (0,9685/0.54) – 1 Rmin = 0,7935
Ropt = 2.27 (0.7935) = 1.801 Ropt = 1,8
V = 20,086 kmol/h (1,8 + 1) = 56,2408 kmol/h
V = 56,2408 kmol/h
Calculo del flujo del reflujo, L:
L = 1,8(D) = 1,8(20,086 kmol/h) = 36,1548 kmol/h L = 36,1548 kmol/h , Xo = 0.9685
Balance de energía en el condensador:
V.HV = L.hL + D.hD + qC hL = hD condensador total
V (HV – hL) = V.λmezcla,V = qC
Del gráfico: calor latente de mezcla vs. temperatura, se obtiene: λ Mezcla = 976 kJ/kg a T= 37.8 ºC
λmezcla,V = 976 kJ/kg
qC = 56,2408 kmol/h (976 kJ/kg)(56,74 kg/kmol) = 3.114.516,52 kJ/h
qC =3.114.516,52 kJ/h
Calculo del flujo de agua de enfriamiento, magua:
qc = magua.CP,agua(Ts,agua – Te,agua)
Cp Agua a Temperatura Promedio 33.65 ºC = 4,1791
magua = 53617,1181 kg/h
Calculo de la entalpia de la corriente de alimentación en el punto de entrada a la torre:
Para determinar la entalpia en la corriente de alimentación a la entrada de la columna se realiza un balance entalpico en
el intercambiador de calor a la entrada de la columna
F.hF,e + B.hB,e = F.hF,s + B.hB,s ======> F(hF,e - hF,s) = B(hB,s – hB,e)

4. Calculo de las entalpias de cada una de las corrientes de entrada y salida de la columna:
h = CP (T – Tref) Tomando como Tref = 17,2 ºC
Del grafico: Cp vs. Composición(x,y) se obtienen los valores de las capacidades caloríficas, CP:
CP,F = 4,020 kJ/kg.ºC (21,75 kg/kmol) = 87,435 kJ/kmolºC CP,F = 87,435 kJ/kmolºC
CP,D = 2,26 kJ/kg.ºC (56,74 kg/kmol) = 128,2324 kJ/kmolºC CP,D = 128,2324 kJ/kmolºC
CP,B = 4,1793 kJ/kg.ºC (18 kg/kmol) = 75,2267 kJ/kmolºC CP,B = 75,2267 kJ/kmolºC
hF = 87,435 kJ/kmol.ºC (26,7 – 17,2)ºC = 830,6325 kJ/kmol hF = 830,6325 kJ/kmol
hD = 128,2324 kJ/kmolºC (37,8 – 17,2)ºC =2641,5874 kJ/kmol hD = 2641,5874 kJ/kmol
hB = 75,2267 kJ/kmolºC (51,7 -17,2)ºC = 2595,3212 kJ/kmol hB = 2595,3212 kJ/kmol
hB,e = Cp,Be(Tburbuja – Tref)
Por diagrama Tyx, Tburbuja = 100 ºC
hB,e = 75,2267 kJ/kmolºC(100 – 17,2)ºC = 6228,771 kJ/kmol hB,e = 6228,771 kJ/kmol
hF,s = 4114,125 kJ/kmol
Calculo de la temperatura de alimentación a la entrada de la torre
HF,s = Cp,Fs*(TFs– Tref)= 4114.125 kJ/kmol
TFs= (4114,125 kJ/kmol / 87,435 KJ/Kmol) +17,2ºC = 64,25 ºC
TF,s = 64,25 º C
De acuerdo al diagrama T xy, con XF= 0,09375, la temperatura de burbuja Tb de la mezcla de alimentación es 67ºC,
comparando este valor con TFS calculado igual a 64,25 ºC, se tiene que la mezcla entra a la torre como líquido
subenfriado.
Calculo de la condición térmica de la alimentación q
La condición térmica de la alimentación se determina mediante la ecuación:
hL = CPMezcla F* (TbF – Tref)= 87,435KJ/Kmol*ºC*(67-17,2)ºC= 4354,263KJ/Kmol
hL= 4354,263 kJ/kmol
Con TFS= 64,25 ºC , en la gráfica: calor latente de la mezcla vs Temperatura se lee λmezcla,F = 920 kJ/kg
Sustituyendo los valores en la ecuación de q, se obtiene:
q = 1,012

5. La pendiente de la línea de operación de la alimentación es 84,33 y a partir del punto (0,09375; 0,09375) se traza la
distancia 8,43 vertical hacia arriba y luego 0,1 hacia la derecha o se traza el ángulo 89,32 en el primer cuadrante y se
traza la línea de la alimentación.
El punto de corte de la línea de operación de la zona de rectificación es . A partir del punto (0,9685;
0,9685) se traza la línea de operación de la zona de rectificación y se une con el punto de corte de la línea de operación
(0,35; 0,00). Esta línea se intercepta con la línea de operación de la alimentación y se obtiene un nuevo punto que al
unirlo con el punto (0,00; 0,00051) se obtiene la línea de operación de la zona de agotamiento.
La carga calorífica del rehervidor se calcula haciendo un abalance de energía a toda la columna
F*HFs + qr= D*HD+B*HBe +qc
qr= D*HD+B*HBe +qc - F*HFs
D= 20,086 Kmol/h qc=3.114.516,52 kJ/h hD = 2641,5874 kJ/kmol
B= 188,4607 kmol/h hF,s = 4114.125 kJ/kmol
F = 208,547 kmol/h hB,e = 6228,771 kJ/kmol
qr= 3.483.465,561 KJ/Kmol
Y finalmente m`= qr/ λAgua , λAgua se determina a la presión de 1.5 Kgf/cm2
λVaporAgua= 532,38 Kcal/Kg m= 3483645,561 KJ/h / (532,38 Kcal/Kg *4,185 KJ/Kcal) = 1563,487 Kg/h
m=1563,487 Kg/h

8. Diagrama X-Y Acetona-Agua
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
X Fraccion Molar Acetona(Fase Liquida)
Y
Fraccion
Molar
Acetona
(Fase
Vapor)