UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

ÁREA DE OPERACIONES UNITARIAS

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 2

CATEDRÁTICO: ING. MANUEL GALVÁN

AUX. LEDA GÓMEZ MONTENEGRO

PREPARACIÓN - PRÁCTICA “DESTILACIÓN”

SECCIÓN: SÁBADO DE 10:50 A 14:40

ADRIANA SOFIA MENÉNDEZ 200860028

SERGIO GARCÍA BARAHONA 200915022

BRENDA MONTERROS WAIGHT 200915024

PABLO ARGOTE NAJERA 200915025

JOSE RODRIGUEZ RECINOS 200915246

ROCIO LIRA LETRAN 200915362

GUATEMALA, 23 DE MARZO DE 2012

1

B

2

Índice 1. GLOSARIO PRELIMINAR............................................................................4

2. ÍNDICE DEL MARCO TEÓRICO DEL INFORME DE REALIZACIÓN..........6

3. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA...................................................................7

4. DISEÑO EXPERIMENTAL...............................................................................8

4.1. Descripción Del Problema.........................................................................8

4.2. Definición De Objetivos De La Práctica.....................................................8

4.3. Preguntas Referentes Al Tema De Estudio (Según Objetivos).................9

4.4. Justificación.............................................................................................10

4.5. Descripción De Variables Independientes y dependientes.....................11

4.6. Número De Repeticiones........................................................................11

4.7. Planteamiento De Las Hipótesis..............................................................12

4.7.1 Hipótesis científica.............................................................................12

4.7.2 Hipótesis estadística..........................................................................12

5. DIAGRAMA DE EQUIPO A MANO................................................................14

5.6. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL...............................15

7. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.......................................19

8. TABLAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.....................................................26

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS …………………………………………….28

3

1. GLOSARIO PRELIMINAR

Azeótropo: Es una mezcla líquida de dos o más

componentes que poseen un único

punto de ebullición constante y, que al

pasar al estado vapor, se comporta

como un líquido puro.

Calor latente: El calor latente es la energía interna

asociada con la fase de un sistema.

Condensación: Es el proceso por el cual una sustancia

cambia de fase vapor o gas a estado

líquido.

Evaporación: Proceso por el que una sustancia pasa

de fase líquida a vapor.

Temperatura de rocío: Es la temperatura a la que empieza a

condensarse una sustancia contenida

en el aire, produciendo rocío.

Transferencia de masa: Ciencia que analiza el movimiento de

materia en una o varias direcciones

bajo la acción de una fuerza impulsora.

Transferencia de calor: Ciencia que se ocupa de la

determinación de las razones que

causan la transferencia de energía de

un sistema a otro como resultado de la

diferencia de temperatura.

Plato teórico: La unidad de la columna que tiene la

misma eficacia en la separación que

una destilación simple y se expresa a

4

menudo en centímetros de altura de la

columna.

Presión de vapor: Es la presión establecida en el sistema

cuando el líquido se halla en equilibrio

con su vapor.

Punto de burbuja: Temperatura a la cual se forma la

primera burbuja de gas de un material

líquido.

Volatilidad: Es una medida de la facilidad con que

una sustancia se evapora.

5

2. ÍNDICE DEL MARCO TEÓRICO DEL INFORME DE REALIZACIÓN

1. Destilación 1

1.1.Aplicaciones 2

1.2.Funcionamiento 2

1.3.Métodos simples de destilación 2

1.3.1. Destilación flash 3

1.3.2. Destilación continua con reflujo 3

1.3.2.1. Método de McCabe-Thiele3

1.3.2.1.1. Sección de enriquecimiento 3

1.3.2.1.2. Sección de empobrecimiento 3

1.3.2.1.3. Condiciones de alimentación 3

1.3.2.1.4. Localización de plato de alimentación y número de

platos 3

1.4.Fenómenos de transferencia de masa y calor 5

6

3. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

I. Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la

torre para cada resistencia eléctrica.

II. Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor

en cada plato para cada resistencia eléctrica.

III. Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada y

salida de la torre y el flujo de vapor para cada resistencia.

7

4. DISEÑO EXPERIMIENTAL

4.1.Descripción del problema

Determinar a partir de datos experimentales, las variables que representan

el fenómeno de destilación a través de una solución acuosa de etanol en una

torre de rectificación de 8 platos tipo burbuja.

El vapor que alimenta a la caldera es generado en el calderín, que es calentado

por resistencias de inmersión. El vapor asciende a través de la torre y es

condensado totalmente en un condensador enfriado con agua y retorna al

primer plato de la torre en condiciones de reflujo total.

Se leen las temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento en el

condensador, la temperatura del vapor que entra al condensador, y de entrada

y salida en cada plato de la torre; el flujo másico del agua de enfriamiento y la

densidad de cada plato. A partir de estos datos, se calcula la eficiencia global y

de murphree, para evaluar la relación de estas y la variación de la temperatura

mediante una gráfica con el flujo de vapor que asciende en la torre.

4.2.Definición de objetivos de la práctica

I. Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la

torre de destilación a reflujo total, para cada resistencia eléctrica.

Utilizando el método de McCabe-Thiele, se calculan los platos teóricos de la

torre para cada resistencia y se comparan con los platos reales para obtener

la eficiencia global de la torre; y a partir de los datos experimentales del flujo

de masa del agua del condensador y sus temperaturas de entrada y salida;

se obtiene el cambio de entalpía y el calor latente de vaporización para

determinar el flujo de vapor para cada resistencia.

8

II. Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor

en cada plato para cada resistencia eléctrica. Se calculan las fracciones

molares de vapor del etanol a partir de las fracciones molares del líquido,

obtenidas por los datos experimentales de las densidades de las mezclas

etanol–agua, al conocer las relaciones de flujos al operar la torre de

destilación como reflujo total. Además se obtienen las fracciones molares de

vapor en equilibrio del etanol y a partir de estos datos se calcula la eficiencia

de Murphree en cada plato para cada resistencia.

III. Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada

y salida de la torre y el flujo de vapor de cada resistencia. Se realiza

una gráfica de la diferencia de temperaturas de entrada y salida de la torre

en función del flujo de vapor de cada resistencia trabajada, y se obtiene un

modelo matemático para determinar la influencia del flujo de vapor en la

variación de las temperaturas de la torre.

4.3.Preguntas referentes al tema de estudio

I. ¿Para qué se utiliza el método de McCabe-Thiele?

Es un método gráfico que se utiliza para calcular los platos teóricos de

una torre de destilación, al graficar las líneas de operación y curvas de

equilibrio como las fracciones molares de vapor en función de las

fracciones del líquido del componente más volátil de la mezcla.

II. ¿Qué es la eficiencia global?

Es la relación entre el número de platos teóricos y platos reales de una

torre.

9

III. ¿Qué es reflujo total?

Es la corriente del líquido condensando, a partir del vapor que asciende

en la torre, que retorna en su totalidad al plato superior de la zona de

rectificación.

IV. ¿Qué es la eficiencia de Murphree?

Es la relación entre la variación de la composición del vapor que pasa de

un plato a otro y la variación de la composición del vapor, si el vapor que

sale se encuentra en equilibrio con el líquido que sale.

10

4.4.Justificación

En esta práctica de laboratorio, la destilación se puede llevar a cabo según

dos métodos principales. El primer método se basa en al producción de

vapor mediante le ebullición de la mezcla liquida que se desea separar y

condensación de los vapores sin permitir que el liquido retorne al calderín.

Es decir, no hay reflujo. El segundo método se basa en el retorno de una

parte del condensado a la columna, en una condiciones tales que l liquido

que retorna se pone en íntimo contacto con los vapores que ascienden hacia

el condensador. Cualquiera de los dos métodos puede realizarse de forma

continua o por cargas.

La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y

condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en

líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes

puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las

sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada

sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí

en función de la presión. Se clasifica en destilación flash ya que es un

estado estacionario, en donde se incluye la vaporización parcial en una sola

etapa sin reflujo. La destilación por cargas que es un proceso de destilación

en estado no estacionario y sus cálculos son demasiados complicados

comparados con destilación continua.

11

4.5.Descripción de variables dependientes e independientes

Tabla 1. Descripción de variables involucradas

No Variable Dimensional Factor potencial de diseño

Factores perturbadores

Constantes Variables Controlables De ruido1. Medidor

seleccionado

X

2. Flujo másico de agua

Kg/s X

3. Presión del equipo

Psi X

4. Temperatura del fluido de

entrada

oC X

5. Temperatura ambiente

oC X

6. Presión atmosférica

Atm X

7. Temperatura del fluido de

salida

°C X

Tabla 2. Descripción de variables a manipular

No. Variable Dimensional1 Flujo másico de

aguaUnidad de rotámetro

12

4.6.Número de repeticiones

Debido a los costos de operación y el tiempo de realización, no se realizaran

repetición.

4.7.Planteamiento de las hipótesis

4.7.1. Hipótesis científica

En el equipo de destilación instalado en el laboratorio de operaciones

unitarias es posible: Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo

de vapor de la torre para cada resistencia eléctrica; determinar la relación

entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor en cada plato para cada

resistencia eléctrica; encontrar la relación de la variación entre las

temperaturas de entrada y salida de la torre y el flujo de vapor para cada

resistencia; y los errores experimentales se pueden analizar por análisis de

incertidumbre para evaluar su incidencia en los resultados.

4.7.2. Hipótesis estadística

4.7.2.1. Hipótesis nula

a) La eficiencia global de la torre no está relacionada con el flujo de vapor.

b) La eficiencia de Murphree no es proporcional al flujo de vapor en cada

plato de la torre de destilación.

c) La relación entre la variación de temperaturas y flujo de vapor no

presenta ninguna tendencia.

13

d) La relación de reflujo total en función del flujo de vapor en la columna es

directamente proporcional.

4.7.2.2. Hipótesis Alternativa

a) La eficiencia global de la torre está relacionada con el flujo de vapor.

b) La eficiencia de Murphree es proporcional al flujo de vapor en cada plato

de la torre de destilación.

c) La relación entre la variación de temperaturas y flujo de vapor presenta

una tendencia.

d) La relación de reflujo total en función del flujo de vapor en la columna no

es directamente proporcional.

14

5. DIAGRAMA DE EQUIPO A MANO

15

6. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Inicio

Revisar válvulas del equipo, que se encuentren cerradas.

Colocar muestra acuosa de etanol al 10%

Abrir válvula de entrada y salida

del agua

Corroborar el

buen estado del

equipo

Verificar que los termómetros

estén colocados

Fijar caudal de agua

Establecer la resistencia de menor

potencia con la que se va a

trabajar

A

Tomar temperaturas de cada

etapa de la torre

B

16

A

Tomar muestra de cada etapa y

medir densidades

Cerrar válvula de recirculación

Tomar una muestra de

condensado y medir la densidad

Abrir válvula de recirculación

Variar resistencias del tablero

eléctrico

B

Variaciones

= 4

Si

No

Desconectar las resistencias

Cerrar válvulas de circulación de

agua

C

17

Limpiar el área de trabajo

FIN

A

Tabla No. ##

Nomenclatura para diagrama de flujo del procedimiento de la práctica

Símbolo Descripción

Inicio o fin

Proceso

Condiciones de proceso

Toma de Decisión

Conector fuera de pagina

Fuente: Diagrama del procedimiento experimental humidificador, Laboratorio de

Operaciones Unitarias, USAC

18

7. DIAGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

7.1.Establecer la relación entre la eficiencia global y el flujo de vapor de la

torre de destilación a reflujo total, para cada resistencia eléctrica.

Inicio

𝑉= ∆𝐻𝑎 ∙𝑚ሶ𝑎 𝜆𝑚 𝐸𝑐.𝑛𝑜.2

Cálculo de Flujo de Vapor:

𝑚ሶ𝑎, 𝜆𝑚

∆𝐻𝑎 = 𝑓ሺ𝑇ሻ 𝐸𝑐.𝑛𝑜.1 Cálculo de Entalpía: 𝑇𝑖,𝑇𝑗

Método McCabe-Thiele para Platos teóricos

y

x

𝑦∗,𝑥∗

𝜀𝐺 = 𝑃𝑡𝑃𝑅 𝐸𝑐.𝑛𝑜.3

Cálculo de Eficiencia Global

𝑃𝑅

A

19

Finalizar

A

Gráfica de eficiencia global en función del flujo de vapor

𝜀𝐺

V

20

7.2.Establecer la relación entre la eficiencia de Murphree y el flujo de vapor

en cada plato para cada resistencia eléctrica.

I.

Inicio

Cálculo de Flujo de Vapor 𝑉 por Ec. no.2

𝑁𝐸 = 𝑣% ∙𝑣∙𝜌𝐸𝑃𝑀𝐸 𝐸𝑐.𝑛𝑜.5

Cálculo de número de moles de etanol

𝑁𝑎 = (1− 𝑣%) ∙𝑣∙𝜌𝑎𝑃𝑀𝑎 𝐸𝑐.𝑛𝑜.6

Cálculo de número de moles de agua

𝑣 𝜌𝐸,𝑃𝑀𝐸

𝑣% = 𝑓ሺ𝜌𝑚ሻ 𝐸𝑐.𝑛𝑜.4

Cálculo del porcentaje v/v % de etanol

𝑣 𝜌𝑎,𝑃𝑀𝑎

𝑥𝐸 𝑛 = 𝑁𝐸𝑁𝑎 + 𝑁𝐸 𝐸𝑐.𝑛𝑜.7

Cálculo de Fracción molar de etanol del líquido que sale del plato

B

21

7.3.Establecer la relación de la variación entre las temperaturas de entrada

y salida de la torre y el flujo de vapor para cada resistencia.

22

Inicio

Cálculo de la diferencia de

temperaturas entre el inicio y el

final de la torre

∆ tV=t0−t f Ec .no .12

t 0 ,t f

Cálculo de Flujo de

Vapor V por Ec. no.2

Gráfica de la diferencia de

temperaturas entre el inicio y final de

la torre en función del flujo de vapor∆ tV

V

Finalizar

Tabla no. 4-Descripción de variables en la ecuaciones de cálculo

Ec. no. Variables de la Ecuación Referencia

1

∆ H a=Diferenciadeentalpías del aguaenel intercambiador [kj /kg ]

T i=Temperaturade entradadel aguaal intercambiador [° C ]

T j=Temperatura desalida del aguaal intercambiador [°C ]

Ref. no.1

2

V=Flujo deVapor en la torre [kg/ s]

∆ H a=Diferenciadeentalpías del aguaenel intercambiador [kj /kg ]

ma=Flujomásico deaguaenel intercambiador [kg /s ]

λm=Calor de vaporizaciónde lamezcla etanol−agua[kj /kg ]

Ref. no.1

3

εG=Eficiencia globalde latorre

Pt=Númerode platos teórcios de la torre

PR=Númerode platosreales de la torre

Ref. no.2

pág. No.689

4v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]

ρm=Densidad de lamuestra [ g/mL ]

Ref. no.4

cap. 2,

pág.112

5

N E=Númerode molesde etanol[mol ]

v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]

v=volumen de lamuestra [mL ]

PM E=Peso molecular del etanol [g /mol]

ρE=Densidad del etanol [g /mL]

Ref. no.4

cap. 2,

pág.112

6

Na=Númerodemoles deagua [mol ]

v%=Fracción volumen /volumende etanol[% ]

v=volumen de lamuestra [mL ]

PM a=Pesomolecular del agua[g /mol]

ρa=Densidad del agua[ g/mL ]

Ref. no.4

cap. 2,

pág.112

7

xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquidoen el platon

N E=Númerode molesde etanol[mol ]

Na=Númerodemoles deagua [mol ]

Ref. no.2

pág. No.646

23

8y En+1=fracciónmolar de etanol enel vapor entrandoal platon

xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquido saliendodel platon

Ref. no.2

pág. No.666

9y En=fracciónmolar deetanol enel vapor saliendodel platon

xE n−1=Fracciónmolar de etanol enel líquidoentrandoal platon

Ref. no.2

pág. No.666

10y En

¿ =fracciónmolar deetanol enequilibrioenel vapor saliento d el platon

xE n=Fracciónmolar de etanol enel líquido saliendodel platon

Ref. no.2

pág. No.666

11

εM=EficienciadeMurphree

y En=fracciónmolar deetanol enel vapor saliendodel platon

y En¿ =fracciónmolar deetanol enequilibrioenel vapor saliento del platon

y En+1=fracciónmolar de etanol enel vapor entrandoal platon

Ref. no.2

pág. No.689

12

∆T V=Diferenciade Temperaturasen funcióndel flujode vapor [° C ]

T 0=Temperaturaen la parte baja de latorre [°C ]

T f=Temperaturaen la parte altade latorre [°C ]

-

Fuente: Referencia no. 1, 2 y 4 , Diagrama de Procedimiento de Cálculo

24

8. TABLAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS

8.1 Tabla No. 5 – Datos de temperatura, volumen y masa de cada muestra de

condensado y platos de 1 a 5, para cada variación de potencia.

MuestraP

(kW )T

(° C)V

(mL)m(g)

Condensado

7

6

5

4

Plato 1

7

6

5

4

Plato 2

7

6

5

4

Plato 3

7

6

5

4

Plato 4

7

6

5

4

25

Plato 5

7

6

5

4

8.2 Tabla No. 6 – Datos de temperatura, volumen y masa de cada muestra de

plato 6 ,7 y calderin, para cada variación de potencia.

MuestraP

(kW )T

(° C)V

(mL)m(g)

Plato 6

7

6

5

4

Plato 7

7

6

5

4

Calderin

7

6

5

4

8.3 Tabla No. 7 - Valores de incertezas de instrumentos utilizados

δP(kW )

δT(°C)

δV(mL)

δm(g)

26

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

I. CENGEL, Yunus A. “Termodinámica”. Sexta Edición. McGraw Hill. México,

2009.  Apéndice 1

II. McCABE, Warren L., et. al. “Unit Operations of Chemical

Engineering”. Sexta edición, et. al McGraw Hill. España 2000. Capítulo 23,

Págs. No. 645-698. 

III. GEANKOPLIS, CHRISTIE J. “Procesos de transporte y operaciones

unitarias”. Tercera edición, CIA. Editorial continental, México 1998,

Págs.717-735.

IV. PERRY, Robert H. y GREEN, Don W. "Manual del Ingeniero Químico"

Volumen 1. Séptima edición. McGraw Hill: España 2001.Capítulo 2, págs.

no.  y Capitulo 13, págs. no.12, 27-34

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