Torre de platos lem V FES cuatitlan

1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Campo 1.
Laboratorio Experimental Multidisciplinario V
Reporte
Destilación en Torre de Platos
Profesoras:
Mayen Santos Elvia
Sixto Berrocal Ana María
Integrantes del Equipo
 Aguilar Miranda Daniel Alejandro
 Fonseca Hernández Sergio
Santiago
 González González Adriana
 Lara López Felipe de Jesús
 Martínez García Mario
 Ramírez García Magdalena

2. Destilación en Torre de platos
INTRODUCCIÓN.
La destilación es un método para separar los componentes de una solución con diferentes puntos
de ebullición.
Los equipos comúnmente utilizados para llevar a cabo una destilación fraccionada, son las
torres de platos, representadas en la figura 1.
Fig. 1: Torre de destilación.
Su funcionamiento es el siguiente: El líquido desciende por la torre bajo la acción de la
gravedad, mientras que el vapor asciende debido a la fuerza de una ligera diferencia de
presiones de plato en plato. La presión más elevada se produce por la ebullición en el rehervidor
inferior.
El vapor pasa a través de aberturas en cada plato y entran en contacto con el líquido que circula
a lo largo del plato. Si el mezclado del vapor y del líquido en los platos fuese suficiente para
alcanzar el equilibrio entre las corrientes de vapor y líquido que abandonan el plato, entonces
cada plato proporcionaría la acción de una destilación simple.
Con objeto de obtener un buen contacto entre las fases y proporcionar el necesario
desprendimiento del vapor y líquido entre las etapas, el líquido se retiene en cada plato mediante
una prensa, sobre la que el efluente líquido pasa.
Para alcanzar la siguiente etapa, éste efluente líquido desciende a través de un comportamiento
separado, denominado conducto de bajada o desagüe. Es importante hacer notar, que el desagüe
debe proporcionar el volumen suficiente y un tiempo de residencia adecuado para que el líquido
se desprenda del vapor arrastrado antes de llegar a la siguiente etapa, como se muestra en la
figura 2.

3. Destilación en Torre de platos
Fig. 2: Plato perforado Fig. 3: Plato con borboteadores
El condensador toma el vapor del domo de la columna y licúa una porción del mismo
regresándolo a la torre como reflujo.
El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o torre sólo depende de lo
complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo está determinado por el balance de
materia y las consideraciones acerca del equilibrio. La eficiencia de la etapa o plato y por lo
tanto, el número de platos reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones
de operación.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
 Se verificó que el tanque de alimentación a la torre estuviera lleno o con cantidad
suficiente para llenar la torre.
 Se verificó que todas las válvulas estuvieran cerradas, en especial las de reflujo, las de
descarga de la torre y las de descarga de los tanques de condensado.
 Para obtener agua de enfriamiento, se usó la torre de enfriamiento.
 Antes de echar a andar la torre de enfriamiento se cerraron las válvulas de paso del
servicio y se abrieron las que alimentan directamente de la torre y las de recirculación a
la torre de enfriamiento.
 Se echó a andar la torre de enfriamiento, para trabajar con los condensadores de la torre
de platos.
 Se empezó a cargar poco a poco la torre empezando por el reboiler, abriendo la válvula
y encendiendo la bomba, después de haber cargado por completo se paro la bomba y se
cerró la válvula; cabe mencionar que se alimentó por el plato 4 a la torre.
 Posteriormente se alimento el vapor hacia el reboiler dejando una presión de
alimentación fija; hasta alcanzar una T en el reboiler de 80º C, esto para empezar a
vaporizar y obtener condensado en el domo.

4. Destilación en Torre de platos
 Se verificaba cada cierto tiempo el nivel en el tanque de condensado del domo de la
torre.
 A partir de el momento en que el tanque de condensados se llenó, se fijó el reflujo.
 A partir de este momento se fueron tomando muestras de cada uno de los platos , se
tomó el índice de refracción hasta que dejó de variar.
 Cuando fueron constantes los índices de refracción para cada etapa, se tomo la muestra
final de el condensado y se midió el volumen obtenido de este, así como el de fondo en
el reboiler con su correspondiente índice de refracción.
 Finalmente se regresaron los líquidos de los condensados al tanque de alimentación.
RESULTADOS EXPERIMETALES.
ANALISIS DE RESULTADOS.
Para obtener las composiciones de cada plato se utilizo la curva de calibración de índice de
refracción vs concentración de etanol a 586 mmHg. A si para cada uno de los índices de
refracción obtuvimos la composición en la fase liquida de la destilación.
Tabla 2: Fracción mol de etanol en fase
liquida para una destilación en torre de
platos
No Plato T ° C In.Rec Xliq
1 78 1.36575 0.45
2 80 1.34625 0.085
3 75 1.3425 0.06
4 81 1.341 0.055
5 83 1.34 0.05
6 80 1.34 0.05
7 80 1.3395 0.045
8 83 1.3335 0
A si mismo, para obtener la composición del etanol en la fase vapor se utilizo en diagrama 2 de
temperatura vs concentración en donde al conocer el valor de la composición de la fase liquida,
podemos conocer el valor de la concentración en fase vapor debido a que ambas fases se
encuentran en equilibrio, las composiciones en la fase vapor se presentan en la tabla 3:
Tabla 1: Resultados
experimentales para una
destilación en torre de paltos
No Plato T ° C In.Ref
1 78 1.359
2 80 1.346
3 75 1.346
4 81 1.34
5 83 1.339
6 80 1.339
7 80 1.338
8 83 1.338

5. Destilación en Torre de platos
De esta manera se puede trazar la línea de equilibrio junto con la línea de operación, se trazo
primero un diagrama teórico para el sistema etanol agua con los datos reportados en literatura.
Estos se presentan el la tabla 4.
Una vez trazado el diagrama teórico, sobre este se trazo nuestra grafica experimental (ver
diagrama 3) y a si obtuvimos el número de etapas obtenidas (ver diagrama 4) o platos reales, de
los cuales se calculo la eficiencia por medio de la ecuación de Murphee:
Tabla 3: Fracción de etanol en la fase vapor para una
destilación en torre de platos
No Plato T ° C In.Rec Xliq Yvap
1 78 1.36575 0.45 0.66
2 80 1.34625 0.085 0.36
3 75 1.3425 0.06 0.305
4 81 1.341 0.055 0.29
5 83 1.34 0.05 0.27
6 80 1.34 0.05 0.27
7 80 1.3395 0.045 0.23
8 83 1.3335 0 0
Tabla 4: Datos teóricos de
composición y temperatura para
el sistema etanol-agua a 586
mmHg
t °C X Y
92.8 0 0
85.6 0.05 0.275
81.7 0.1 0.4
79.3 0.15 0.475
77.7 0.2 0.525
76.5 0.25 0.565
75.7 0.3 0.595
75 0.35 0.62
74.4 0.4 0.64
73.9 0.45 0.66
73.5 0.5 0.68
73.2 0.55 0.705
72.8 0.6 0.725
72.5 0.65 0.75
72.2 0.7 0.775
72 0.75 0.805
71.9 0.8 0.835
71.8 0.85 0.87
71.7 0.9 0.9
71.8 0.95 0.95
71.9 1 1

6. Destilación en Torre de platos
𝐸 𝐺 =
𝑌𝑛− 𝑌𝑛+1
𝑌
∗
𝑛 –𝑌𝑛+1
En nuestro caso el número de paltos reales fue de 5, de los cuales la eficiencia se presenta a
continuación:
𝐸 𝐺1 =
0.630 − 0.45
0.640− 0.45
= 0.9473
𝐸 𝐺2 =
0.450 − 0.19
0.52 –0.19
= 0.7878
𝐸 𝐺3 =
0.19 − 0.09
0.350–0.09
= 0.3846
𝐸 𝐺4 =
0.09 − 0.06
0.30 –0.06
= 0.125
𝐸 𝐺5 =
0.06 − 0.05
0.28 − 0.05
= 0.0434
𝐸 𝐺7 =
0.05 − 0.04
0.27 − 0.04
= 0.0434
𝐸 𝐺8 =
0.04 − 0
0 − 0
= 0
La eficiencia de los platos es la aproximación fraccionaria a la etapa en el equilibrio que se
obtiene con un plato real. La eficiencia de Muphree es muy conveniente para diagramas de
McCabe-Thiele, esta fue la calculada anteriormente, pero como puede observarse esta se calcula
utilizando solo las condiciones de operación, por tanto pueden no ser tan exactas por tal motivo
es conveniente compararlas con un método teórico mejor establecido como lo es el método
A.I.Ch.E para la predicción de eficiencias en los platos para una torre de destilación.
Este método solo se puede aplicar cuando en la torre h ay platos con borboteadores, para
nuestro caso, la torre instalada en el LEM tiene 4 platos de este tipo, por lo que solo se llevo
acabo el cálculo de las eficiencias A.I.Ch.E., para estos platos que se encuentran en la parte
inferior de la torre de destilación.

7. Destilación en Torre de platos
Método A.I.Ch.E para la predicción de eficiencias de platos con borboteadores.
Hay que calcular las NTU para la fase gas, estas se calculan con la siguiente formula:
  2/1
)(
217.0290.0116.0776.0
SC
G
N
LFW
NTU


En donde:
(NUT)G = Numero de unidades de transferencia de masa para la fase gas
W = Altura de la presa a la salida. 1.5 in.
F = factor definido como el producto de la velocidad del gas (ft3
/s ft2
) del área de borboteo del
plato y la raíz cuadrada de la densidad del gas (lb/ft3
)
NSC = Numero de Schimidt a dimensional en la fase gaseosa.
L = Es el caudal del liquido (gal/min ft anchura promedio de la columna)
Para poder calcular F tenemos la siguiente ecuación:
𝐹 = 𝑈 𝐺 × √ 𝜌 𝐺
En donde: UG = velocidad del gas, pies3
/(s)(pies2
de área de borboteo del plato)
𝑈 𝐺 =
𝐿0
𝐴 𝑏𝑜𝑟𝑏𝑜𝑡𝑒𝑜
ºº
𝐿0 = 0.70
𝐿
𝑚𝑖𝑛
= 0.0004120
𝑓𝑡3
𝑠
23
2
2
2
2
2
104.3
144
1
*4908.010*
4
)25.0(
ftx
in
ft
in
in
rNA borbborboteo




Por lo que a si UG nos queda como:
𝑈 𝐺 =
0.0004120
𝑓𝑡3
𝑠
3.4 x10−3 ft2 = 0.1211 ft
s⁄
Y 𝜌 𝐺 = densidad del gas, lb/pies3
RT
PM
V
prom
gas 
1

De donde Mprom es el peso molecular promedio de la mezcla.
))(M(X))(M(XM OHOHetetprom 22


8. Destilación en Torre de platos
Tabl5: Calculo de Mprom, densidad y velocidad del gas para el sistema etanol-
agua
No Plato T °C X Mprom G F
5 83 0.05 4.19056081 0,000291468 0,00206747
6 80 0.05 4.19056081 0,000293944 0,00207623
7 80 0.045 4.21224499 0,000295465 0,0020816
8 83 0 4.40740268 0,00030655 0,00212029
Una vez calculado F, calculamos L que es el caudal mojado del líquido, gal/(min)(pie de
anchura promedio de la columna). Anchura promedio = 0.42967ft
Caudal mojado = 0.70
𝐿
𝑚𝑖𝑛
= 0.1849
𝑔𝑎𝑙
𝑚𝑖𝑛
NSc es el número de Schmidt de la fase gaseosa:
ABG
mez
SC
D
N



De la ecuación anterior ya tenemos la densidad del gas y la difusividad se obtuvo a partir de la
ecuación de Wilke-Lee.
)/()(
/1/1)/1/1249.0084.1(10
2
2/34
ABAB
BABA
AB
kTfrPt
MMTMM
D




A si como la viscosidad de la mezcla se calculo con la siguiente ecuación:
)1(44.0)()1()()( xxLnxLnxLn BAmez  
Con la tabla de datos se procede a calcular la difusividad
M  k r Pt
46 425 0,3626 77993,4
18 809,1 0,2641 77993,4
Donde:
0.3626 0.2641
0.3133
2
ABr

 
Como se observa la función de choque está en función de la temperatura, la cual se
proporcionan los valores en grados Kelvin y a partir de una gráfica de función de choque
(fig.2.5, pag.36, operaciones de transferencia de masa. Robert E. Treybal) se obtienen los
valores de la difusión.
( / )ABf kT 

9. Destilación en Torre de platos
Calculando los datos necesarios se obtiene la siguiente tabla:
No Plato T °K F DAB NSc L W NTUG
5 356,15 0,000925 2,606E-05 14,0571 0,1849 0,125 0,22138232
6 353,15 0,000929 2,601E-05 14,0867 0,1849 0,125 0,22114859
7 353,15 0,000931 2,601E-05 14,0222 0,1849 0,125 0,22165653
8 356,15 0,000948 2,606E-05 13,4275 0,1849 0,125 0,22650886
Para calcular la retención del líquido Zc, expresado en pulgadas, tenemos la expresión:
FLWZC 65.020.019.065.1 
El tiempo de contacto promedio del líquido en segundos tL:
L
ZZ
t LC
L
4.37

Zl es la distancia recorrida por el líquido en el plato, en pies.
𝑍 𝐿 = 𝐷𝐼 − 2𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑙𝑢𝑛𝑎 = 0.505𝑓𝑡 − 0.166𝑓𝑡 = 0.338𝑓𝑡
Una vez obtenidos los cálculos anteriores se obtiene la siguiente tabla:
No Plato Zc tL
5 1,63616901 29,547342
6 1,63616646 29,547296
7 1,6361649 29,547268
8 1,63615366 29,547065
Se predice un valor para (NTU)L,de la fase líquida:
LLL tFDNTU )15.026.0()*10*065.1()( 2/14

Donde DL es la difusividad de la fase líquida, pies2
/h, y se obtuvo a partir de la correlación de
Wilke y Chang (Treybal).
6.0
5.018
))(10*3.117(
Asol
B
AB
TM
D



MB = Peso molecular del disolvente (agua) = 18.02
VA= Volumen molar del soluto en el punto de ebullición normal = 0.0756 m3
/mol, obtenidos de
la Tabla 2.3 de la Referencia 1.
φ = 2.26, obteniéndose lo siguiente:
No Plato DABL NTUL
5 0,0002906 7,809589
6 0,0002881 7,776668
7 0,0002881 7,776693
8 0,0002906 7,809835

10. Destilación en Torre de platos
Se combinan (NTU)G y (NTU)L,para predecir la eficiencia puntual EOG:
LGOGOG NTUNTUNTUELn )()(
1
)(
1
)1(
1 


Donde λ es la razón de las pendientes de la curva de equilibrio y la línea de operación, aquí la
pendiente de la línea de operación es igual a 1 y las pendientes de las curvas de equilibrio se
calcularon para cada etapa.
No Plato NTUG NTUL λ EOG
5 0,22147072 7,809589 1,113 0,2395
6 0,22123727 7,776668 2,002 0,2328
7 0,22174565 7,776693 3,286 0,2248
8 0,22660162 7,809835 3,175 0,2306
Se calcula un valor para la difusividad efectiva en la dirección del flujo del líquido como sigue:
sftD
WLUD
E
GE
/][
0150.000250.0017.00124.0
2
5.0


Se calcula el número de Peclet, NPC
)(
2
LE
L
PC
tD
Z
N 
No Plato DE NPC λEOG
5 0,12959919 2,98476343 0,26650488
6 0,12959919 2,98477383 0,46590211
7 0,12959919 2,98478019 0,7383232
8 0,12959919 2,98482609 0,73181112
Se obtiene la razón EMV / EOG a partir de la figura 12-20 del King pag. 658. Para poder utilizar la
figura necesitamos del conocimiento de EOG, λ y NPC.
Ya que en la grafica tenemos en Y (EMV / EOG), mientras que en X (EOG* λ) y entramos a la línea
con el NPC.
No Plato EMV/EOG EMV
5 1,15 0,27529888
6 1,17 0,27232929
7 1,18 0,26515516
8 1,18 0,27201712

11. Destilación en Torre de platos
Se obtiene la cantidad de arrastre de la figura 12-6 del King pag 620, con ayuda de la tabla 12-3
del King pag 615. Además de calcular Ueng con la siguiente ecuación:
5.0





 

L
GL
Veng KU


Porcentaje de agotamiento = 100 (
𝑈 𝐺
𝑈 𝑎𝑛𝑒𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
)
Plato L/G(ρG/ρL)1/2
Kv Uaneg Porcentaje
4 0,01653759 0,18 2,00444049 6,04158621
3 0,01653759 0,18 2,00444049 6,04158621
2 0,01653759 0,18 2,00444049 6,04158621
1 0,01653759 0,18 2,00444049 6,04158621
De acuerdo a la gráfica el arrastre fraccional está por debajo d0.0015

12. Destilación en Torre de platos
CONCLUSIONES
Con la práctica realizada en la torre de destilación de platos se puede concluir que:
Se han cumplido los objetivos que eran:
 Comprender el funcionamiento de una torre de destilación de platos
 Se han podido relacionar las variables de operación de diseño de la columna con las
variables de separación.
 Se han aprendido los conceptos de eficiencia, etapa real y numero de platos reales.
Además da haber cumplido los objetivos planteados también se puede concluir que de acuerdo a
las eficiencias calculadas, la torre que se cuenta en el LEM tienen una baja eficiencia para la
destilación, aunque para su tamaño que tiene se puede considerar buena ya que cuenta con
dimensiones pequeñas lo que dificulta la trasferencias de masa en entre el liquido y el vapor
generado.
Por otra parte se concluye finitamente que el método de cálculo de la AIChe proyecta un cálculo
de eficiencias aparentemente más homogéneo y uniforme que el que se realiza para la eficiencia
de Murphree, esto se puede deber principalmente a que la AIChe es un procedimiento
especializado en que se invirtió bastante tiempo de investigación para un tipo de plato
determinado, lo cual redunda principalmente en una confiable determinación de eficiencias pero
al mismo tiempo limita el cálculo de las mismas a sólo el tipo de platos de son de borboteo,
limitante que no se tiene presente con la eficiencia de Murphree.
BIBLIOGRAFÍA
Robert, E. Treybal. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Ed. McGraw Hill. 2ª edición.
México 1988.
Robert, H. Perry. “Manual del Ingeniero Químico”. Ed. McGraw Hill. 6ta edición. México
2001.
Judson, C. King. “Procesos de Separación”. Ed. Reverté. España 2003.
Tesis para obtener el Título de Ingeniero Químico presenta: Jesús Alejandro Arreola
Hernández. ”Estudio y Análisis de Columnas Experimentales de Destilación de Platos con
Borboteadores. Cuautitlan Izcalli, Estado de México, 1993.