ejercicios del libro king capitulo 7, Ejercicios de Procesos de Separación Química

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Ejercicios capítulo

7. Procesos de

Separación. King

PROCESOS DE SEPARACIÓN

SIMEI DE LA ROSA CALLEJA

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA |

Problema 7.A En la figura 7.11 yC 1 es menor que yC 2 en las etapas por encima del alimento, pero xC es menor que xC 2 en la mayoría de las etapas por encima del alimento en la figura 7.12. ¿Por qué? Composición vapor Composición líquida Figura 7.11 Figura 7.1 2 La diferencia en los valores de yC 1 y yC 2 en la fase vapor, así como en xC1 y xC 2 en la fase líquida, se debe a la volatilidad relativa de los componentes en la columna de destilación.

• En la Figura 7.11 , yC 1 es menor que yC 2 porque C2 es más volátil y tiende a concentrarse en la fase de vapor en las etapas por encima del alimento.
• En la Figura 7.12 , xC1 es menor que xC 2 en la mayoría de las etapas por encima del alimento porque C2 tiende a evaporarse con mayor facilidad, lo que hace que su concentración en el líquido sea menor en comparación con C1. Este comportamiento sugiere que la separación de los componentes está influenciada por su volatilidad relativa y la interacción entre las fases vapor y líquido dentro de la columna. La Figura 7.11 representa la situación de la composición de la fase vapor de cada uno de los compuestos presentes en la mezcla para un proceso de destilación. La Figura 7.1 2 representa la composición en la fase liquida de estos mismos compuestos. Observando los compuestos no claves ligeros (C1 y C2), se puede aseverar que C1 es más ligero que C2. Las etapas por arriba de la alimentación tendrán una fase gaseosa enriquecida en los compuestos más volátiles (más ligeros), por esta razón se justifica que en esta zona la composición de C1 en el vapor (yC 1 ) mayor que la composición de C2 en el vapor (yC 2 ), al ser C1 más ligero que C2.

Perfil de temperatura La tendencia de temperatura respecto a las etapas habrá una mayor temperatura en las etapas inferiores a la alimentación (cerca del reboiler) y menor temperatura al ir subiendo en la columna. Existe una mayor variación de la temperatura cerca de la cabeza, base y alimentación para la destilación multicomponente, en estas zonas los cambios de composición son más rápidos, los componentes no claves son los que están cambiando. La presencia de componentes no clave provoca la ampliación de la variación de la temperatura a lo largo de la columna. Dado que en este caso no los hay, se espera que la variación de temperatura sea mas acentuada en comparación con mezclas en donde si los hay. Curva de composición En este caso, la curva de composición multicomponente no mostrará composiciones de los componentes ligeros no claves en etapas superiores a la alimentación (usualmente aquí se presentan). En la figura se muestra una curva típica de composición del vapor para una destilación multicomponente a reflujo mínimo (número infinito de etapas); se observan zonas de composición constante, en este caso particular no se especifica que se esté operando a reflujo mínimo, no se presentaran zonas constantes. Base (^) Zona A Zona B Zona C Zona D Cabeza Curva de composición del vapor para una destilación multicomponente yi, relativo

Problema 7.C Trazar las curvas de fracción molar en el líquido y en el vapor para un componente sandwich minoritario, intermedio en volatilidad entre los dos claves en una destilación multicomponente. Explicar la forma de la curva. (NOTA: Un método para este problema es deducir los valores de K para los dos componentes claves como función de posición a partir de las figuras 7-11 y 7-12 y luego utilizar el hecho de que el valor de K para el componente sandwich es intermedio entre los de los claves.) Composición vapor Composición líquida Figura 7.11 Figura 7.1 2 Utilizando como referencia las figuras 7.11 y 7.12, para el caso de una destilación multicomponentes. Trabajando con los componentes claves, pesado C4 y ligero C3. Se deduce los valores de K (Constante de equilibrio, expresada como composición en el vapor del componente i entre la composición en el líquido del componente i) en cada posición del diagrama (situación entre etapas) para el compuesto ligero y para el compuesto clave pesado. Teniendo en cuanta que los valores de K para el componente sándwich tiene un valor intermedio entre los valores de K del componente clave ligero y del pesado, se podrá deducir los valores de K del ligero y pesado en cada posición del diagrama. Conociendo K, del componente sándwich se puede calcular las composiciones del vapor en equilibrio con el líquido, del componente sándwich, y así obtener las curvas de fracción molar en el líquido y en el vapor para el componente sándwich minoritario. Para el caso de la composición del líquido del componente sándwich, se calcula una composición máxima, que se expresa como (1-composición en el líquido de clave pesado-composición en el líquido del clave ligero) y se tendrá en cuenta que según los datos este es un compuesto minoritario, por lo que se calculará su composición en el líquido multiplicándolo por un factor de 0.5. Con este valor de

Como en este caso se está en presencia de un componente “sandwich” que presenta volatilidad intermedia entre el clave ligero y el clave pesado se presenta un comportamiento en el cual el componente “sandwich” está presente en el líquido y en el vapor, aunque en proporciones pequeñas, tanto en las etapas cercanas a la base como en las cercanas a la cabeza, como se puede apreciar en las curvas anteriores. Si el componente “sandwich” presentara volatilidades más cercanas al ligero clave este aparecería en las etapas cercanas a la cabeza y si, por el contrario, presentara volatilidades cercanas a la del pesado clave estaría presente en las etapas cercanas a la base.

Problema 7.D A menudo una torre de destilación multicomponente se diseña para que dé lugar a una o más corrientes laterales además de las normales de destilado y residuo. Considerar los casos donde las corrientes laterales salen directamente de la columna, sin agotamiento o enriquecimiento de dichas corrientes. Una corriente lateral contendrá una elevada fracción de uno de los componentes de volatilidad intermedia, y es deseable una elevada pureza de este componente en la corriente lateral. Para una máxima pureza de esta corriente, ¿será mejor extraer el líquido o el vapor?, ¿depende su respuesta de si la corriente se extrae de un plato por encima del alimento o por debajo de éste? Explíquese brevemente. Respuesta: Cuando se desea extraer una corriente lateral que contenga una elevada fracción de uno de los componentes de volatilidad intermedia, con el fin de obtener alta pureza de este componente es necesario analizar si será más conveniente extraer la corriente líquida o la de vapor. En este caso, es preciso tener en cuenta si el componente que se desea obtener con alta pureza tiene volatilidades cercanas a la de los componentes ligeros no claves o volatilidades cercanas a la de los compuestos pesados no claves. También es preciso tener en cuenta que estos compuestos claves presentarán composiciones máximas tanto en el líquido como en el vapor. La decisión dependerá de si la corriente se extrae de un plato por encima del alimento o por debajo de éste. En las figuras 7-11 y 7-12 se puede apreciar que para el caso de los compuestos, pesado clave y ligero clave presentan un máximo tanto para su composición en líquido como para su composición en el vapor, sin embargo, para el componente más ligero se aprecian composiciones mayores en la fase vapor (en etapas superiores a la alimentación) y para el componente más pesado, se aprecian composiciones mayores en la fase líquida (en etapas por debajo de la alimentación). Luego, si se desea extraer una corriente lateral con alta pureza en un componente de volatilidad intermedia la extracción deberá hacerse:

1. Para componente más ligero (ligero clave): Por encima de la alimentación en la fase vapor.
2. Para componente más pesado (pesado clave): Por debajo de la alimentación en la fase líquida.

a) ¿Qué componente es preferentemente volatilizado por el fenol, y por qué? b) Considerando las tres secciones diferentes de la columna —por debajo de ambas alimentaciones, entre los alimentos y por encima de éstos— indicar la función de cada sección con relación a los objetivos globales del proceso. c) Comparar la cantidad de metilciclohexano separado por el tolueno por encima del alimento más elevado, con la cantidad de metilciclohexano por debajo de dicho punto. Explicar la diferencia. ¿Por qué hay mayor número de etapas por encima de la alimentación más elevada? d) Para cada una de las tres secciones de la columna indicar si el fenol se comporta como un componente clave, un no clave ligero o un no clave pesado. ¿Por qué hay un cambio brusco en la fracción molar del fenol en el líquido en el punto de alimentación del hidrocarburo, aunque la fracción molar de fenol no varía apreciablemente en las etapas adyacentes? e) ¿Qué cambio se podría hacer en la columna para obtener en la cabeza de la columna metilciclohexano de alta pureza?

Respuesta: a) Como se puede apreciar en las figuras 7-31 y 7-32, la adición del fenol en este proceso de destilación extractiva modifica las volatilidades de los compuestos a separar, favoreciendo la separación. En este caso específico, el componente que es preferentemente volatilizado por el fenol es el metilciclohexano. En la figura 7-31 se evidencia como al aumentar la composición de fenol, aumenta la volatilidad relativa del metilciclohexano referida al tolueno. En la figura 7-32, que representa la curva de composición en el líquido para el caso de estudio, se observa que el componente metilciclohexano (en este caso clave ligero), se concentra en las etapas próximas al domo de la columna, mientras que el tolueno (en este caso clave pesado) se concentra en las etapas cercanas a la base de la columna. Por lo tanto, se puede asegurar que la adición del fenol ayuda a que se volatilice preferentemente el metilciclohexano. b) Si se realiza un análisis de la figura 7-32, donde se distinguen las tres secciones de la columna, se puede indicar la función de cada una de estas secciones teniendo en cuenta los objetivos globales del proceso. Para el caso de la sección por debajo de ambas alimentaciones se puede decir que es la sección de rectificación, encargada de concentrar los compuestos menos volátiles y donde además se podrá recuperar el fenol; la sección entre los alimentos es una sección donde se van a apreciar los efectos de las alimentaciones, va a existir un mezclado y su objetivo en el proceso global solo va a estar relacionado con las alimentaciones a la columna; la sección por encima de los alimentos va a tener como función concentrar los compuestos más volátiles. c) Se observa un aumento drástico en la cantidad de metilciclohexano separado del tolueno por encima del alimento más elevado. Esto se justifica por el hecho de que después de añadir el fenol (segundo alimento) este compuesto actúa sobre los coeficientes de actividad de los compuestos a separar, favoreciendo la separación de los compuestos del primer alimento (metilciclohexano y tolueno) y provocando que la composición de metilciclohexano (compuesto menos volátil) aumente de manera drástica en las etapas de la columna superiores al segundo alimento. Existe un mayor número de etapas por encima de la alimentación más elevada si se compara con el número de etapas existentes por debajo de la primera alimentación. Esto se debe a que en las etapas por encima de la alimentación