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Datos de equilibrio
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Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
REA DE INGENIERA QUMICAProf. Isidoro Garca Garca
Determinacin experimental del coeficiente global de transferencia de materia en una columna de relleno para la rectificacin de una mezcla
binaria: acetona - isopropanol
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
INTRODUCCIN
La separacin de los componentes que constituyen un lquido es un proceso habitual y de gran importancia en la industria qumica.
El mtodo ms ampliamente utilizado para ello es la destilacin. Como se sabe, al calentar un lquido, formado por ms de un componente, el vapor que se forma es ms rico en los componentes ms voltiles. Es la diferencia de volatilidad entre unos y otros compuestos, lo que hace posible la separacin.
Si un vapor formado por una serie de compuestos, se pone en contacto con un lquido conteniendo esos mismos compuestos pero en una concentracin diferente a la del equilibrio, entre ellos se producir una transferencia de materia: parte de los componentes menos voltiles del vapor pasarn al lquido y parte de los componentes ms voltiles del lquido pasarn al vapor. De esta forma, el vapor se habr enriquecido en los componentes voltiles y el lquido lo habr hecho respecto a los componentes menos voltiles.
La rectificacin es una operacin que mediante la realizacin de evaporaciones y condensaciones sucesivas hace posible que se produzcan, en una misma columna, mltiples contactos entre una fase lquida y otra vapor de modo que se hace posible la transferencia indicada en el punto anterior.
La evaporacin de compuestos requiere un calor de cambio de estado que se toma del cedido por los que se condensan. De este modo, si los calores de cambio de estado son similares, podemos estar ante un proceso de transferencia equimolar en contracorriente.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Equipos
COLUMNA DE PLATOS:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Equipos
COLUMNA DE PARED MOJADA:
Gas
Pelcula descendente
Entrada de lquido
Salida de lquido
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Equipos
COLUMNA DE RELLENO:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
E
Q
U
I
P
O
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Por cada 10 L de isopropanolse pondrn 2 L de acetona
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
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Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
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Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Columna con la que se trabajar:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Determinacin del coeficiente global de T.M. Como se ha vista en el tema 6, el diseo y/o anlisis del funcionamiento de una columna de relleno slo puede hacerse si se conoce el coeficiente/s de transferencia de materia en el sistema.
En estado estacionario, la transferencia de materia referida al componente ms voltil (C.M.V.) en un punto dado de la columna, se puede escribir:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
yx
xy
x
ymolarfracccms
globalescoefKK
cmsN
siendoxxKyyKN
xy
xy
con equilibrioen estara quelquida fase la de seno elen voltilms componente delmolar fraccin *
con equilibrioen estara que vaporfase la de seno elen voltilms componente delmolar fraccin *
columna la de dado puntoun en lquida fase la de seno elen voltilms componente delmolar fraccin
columna la de dado puntoun en vaporfase la de seno elen voltilms componente delmolar fraccin
.ostransferidgmol,.,
ostransferidgmol
:;*)()*(
2
2
==
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Determinacin del coeficiente global de T.M. Haciendo un balance de materia, para el componente ms voltil, en un elemento de la columna de altura dh:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
dVydyVdLxdxLxLdydVdVydyVyVdxdLdLxdxLxLyV
xLdyydVVdxxdLLyVs
lquidodetotalesgmolLs
vapordetotalesgmolVSi
+=+++++=++++
+++=+++
))(())((
;:L+dL
x+dx
V+dV y+dy
V , y L , x
dh Por otro lado, si la columna trabaja a reflujo total:
dVdLVL ==
VLdxdy
VLluegodxdyxySi
dxdy
VLdyVdxL
dVxydyVdxLdLxdVydyVdxLdVydyVdLxdxL
=====
==
===
=+=+
1;
0
:anteriorecuacin laen dosustituyen efecto,En xy quecumplir que tienese V,L punto,cualquier en que, cumpla se que Para
)(
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Determinacin del coeficiente global de T.M.
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
OGOG
y
yy
y
yy
h y
y
yy
xy
xy
NHhxy
dySaK
Vhyy
dySaK
Vhyy
dydhV
SaKyy
dydhV
SaK
dxLdhSxxaKNdAdyVdhSyyaKNdA
cmScmcmadhSadAxxKyyKN
t
b
t
b
t
b
=====
=========
;*;*;*;**)(;)*(
][;][;;*)()*(
0
23
2
La ecuacin anterior, sera la ecuacin de diseo de la torre. Para resolverla:
xx
y
xxy
xyxyxxyyycomo
xyxy
xPxPyPPyyPPcomo
xPxP
xPxP
xPBxPP
xPA
A
AA
AA
AAABAB
AB
BA
AB
BABBAA
AB
BA
B
B
A
A
B
BA
oAA
A
A
)1(1
)1(1)1()1(11:
:
:relativavolatil.;dedvolatilida;)(;dedvolatilida
*
**
***
*
***
+=+=
===
====
=====
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
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Determinacin del coeficiente global de T.M.
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
=
=
=
=
+=
++=
=
+=+
=+=
=+=
+=+
===
==
)1()1(ln
11
11lnln
11
11lnln
11
111
1)1(
111
1)1(
)1(1
11
)1()1(1
11
)1)(1()1(1
)1()1()1(1
)1(1)1(
)1(1**
*
tb
bt
b
t
b
t
b
t
b
tx
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
y
yOG
OGOG
y
yy
xxxx
xx
xx
xx
xx
xdx
xdx
xdx
xdx
xdx
xdxdx
xxdx
xxxdx
xxx
dxxxx
x
xxxxx
dx
xx
xdx
xydx
xydyN
NHxy
dySaK
Vh
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
t
b
Para el caso de nuestra columna, que est trabajando a reflujo total, y=x dy=dx
12
3
4
5
6
7
8
(NOG)1-2h1-2
(NOG)1-3h1-3
(NOG)1-ih1-i
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Determinacin del coeficiente global de T.M.
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
SVhaKNNH
xydy
SaKVh yOGOGOG
y
yy
t
b/*
===
=
=
=
SVhaKN
SVhaKN
SVhaKN
iyiOG
yOG
yOG
/)(
/)(
/)(
11
3131
2121
K
(NOG)1-i
h1-i/(V/S)
Kya
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
1.- Se ha de esperar hasta que la columna alcance un estado estacionario. Esto se puede comprobar mediante la medida de caudal de lquido que cae por la columna: cuando este se estabiliza, se puede considerar que se ha alcanzado un estado estacionario
2.- A continuacin se toman la muestras y se mide el ndice de refraccin:
punto de muestra
0 2 4 6 8 10
n
2
0
1.358
1.360
1.362
1.364
1.366
1.368
1.370
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
3.- Una vez que se conoce el ndice de refraccin corregido, se determina la concentracin de acetona en fase lquida (x):
RECTA DE CALIBRADO
x
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
n
2
0
1.355
1.360
1.365
1.370
1.375
1.380
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
4.- A continuacin se ha determinar la concentracin y* (es decir, la concentracin de acetona en fase vapor que estara en equilibrio con los valores determinados, x). Para ello necesitamos los datos de equilibrio lquido-vapor del sistema en estudio (Ptotal=1 atm)
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Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Datos de equilibrio a 1 atm :ACETONA-ISOPROPANOL
x1y1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
,
C
50
55
60
65
70
75
80
85
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Datos de equilibrio a 1 atm:ACETONA-ISOPROPANOL
x1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
y
1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
y
y*
(x,y): Concentraciones en el seno de las fases a unaaltura dada de la columna
y*- y : Fuerza impulsora
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Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
5.- A continuacin se ha de estimar la volatilidad relativa. Previamente se ha visto la ecuacin que se utiliza:
xyxy)1(
)1(*
*
=
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Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
6.- Para el clculo de (NOG)1-i se necesita la siguiente informacin:
=
)1()1(ln
11
tb
btOG xx
xxN
7.- Para el clculo de h1-i(V/S) se necesita la siguiente informacin:
La distancia entre toma y toma es de 15 cm y el dimetro interno de la columna es 8 cm
Clculo de V = L [mol-g/s]:
L = QL cm3/s * m g/cm3 * 1/Wm mol-g/g Wm = x * 58.08 + (1-x) * 60.10 , g totales/mol-g mezcla
m = Wm / [ x * 58.08/ acetona + (1-x) * 60.10/ isopropanol ]
Nota: los valores de las densidades de la acetona y del isopropanol deben ser los correspondientes a la temperatura a la que se ha medido el caudal. Se adjunta informacin sobre la influencia de la temperatura sobre dichas densidades:
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Densidad de la Acetona
temperatura, C
-100 -50 0 50 100 150 200 250
g
/
c
m
3
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Densidad del Isopropanol
temperatura, C
-100 -50 0 50 100 150 200 250
g
/
c
m
3
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
Con toda esa informacin se pueden determinar las columnas que faltan:
h1-i/(V/S)
0.0 5.0e+4 1.0e+5 1.5e+5 2.0e+5 2.5e+5 3.0e+5 3.5e+5
(
N
O
G
)
1
-
i
0
1
2
3
4
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca Garca
Procedimiento detallado:
Determinacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.
8.- Determinadas las dos ltimas columnas, se podra obtener una representacin como la siguiente:
De la pendiente se determina el coeficiente global de transferencia de materia
Operaciones Bsicas de Transferencia de Materia
Prof. Isidoro Garca GarcaDeterminacin experimental del coeficiente global de T.M. en una columna de relleno.