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Laboratorio de Operaciones Unitarias III


    Practica #2
                           Equilibrio de Mezclas Multi componente y Simulación

1. Objetivos

 Determinar la temperatura de burbuja para una mezcla ternaria de Etanol-Agua-Acido Acético
  experimentalmente y analíticamente utilizando simuladores como ChemCad 6
 Analizar el efecto del modelo termodinámico elegido para evaluar el equilibrio, temperatura de
  burbuja y temperatura de rocio
 Estudiar el efecto de la variación de presión en los diagramas de equilibrio liq-vap T-X-Y; X-Y para
  los sistemas de Agua-Etanol; Agua-Ácido Acético; Etanol-Ácido Acético utilizando el simulador
  ChemCad
 Aplicar los simuladores al flash isotérmico y adiabático para determinar las condiciones óptimas de operación
    (P,T). para el caso de estudio se buscará obtener la mayor cantidad de propano en fase vapor

2. Fundamento teórico

    Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con
    aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con
    una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes.

     Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede
    distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente.

    2.1. Destilación Sencilla – Instantánea.- La destilación instantánea o destilación en el equilibrio o
    simplemente flash, es una operación de una sola etapa que puede realizarse por lotes o en continuo.
    Un equipo de destilación instantánea consta de un tanque donde se forman las dos fases, de una
    válvula que une dos zonas de presiones diferentes y de un intercambiador que permite acondicionar
    el alimento.




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Laboratorio de Operaciones Unitarias III


Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está
constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente)
puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos
fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de
separación entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más
variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución
saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro,
dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles
en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el
sistema.

El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen
como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura
y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de
estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de
fases).

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo
    condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento ( o compuesto) en
    otro

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio
    comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas Multicomponente tienen
aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales
estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.

2.1.2. Regla de las fases

Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de
las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en
cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por:

P+F=C+2

Donde:

C = número de componentes del sistema

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Laboratorio de Operaciones Unitarias III


P = número de fases presentes en el equilibrio

F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición)

En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases(P), componentes(C), y grados de libertas o
varianza (F) para sistemas Multicomponente en equilibrio. El número de grados de libertad se
determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la
gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y
concentración. El número dos en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P.

2.1.3 Componente (de un sistema): es el menor número de constituyentes químicos
independientemente de las variables necesarias y suficientes para expresar la composición de cada
fase presente en cualquier estado de equilibrio

2.1.4 Fase: es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente
homogéneo en si mismo y unido por una superficie que es mecánicamente separable de cualquier
otra fracción. Una fracción separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un
líquido dispersado en otro.

- Un sistema compuesto por una fase es homogéneo

- Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo

Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios
heterogéneos.

Grado de libertad (o varianza): es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas
independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de 6

Una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura
y composición. También se define con el número de factores variables.

        F=0 indica invariante

        F=1 univariante

        F=2 bivariante

La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere:

1.- Equilibrio homogéneo en cada fase

2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes,
sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la

                                                                                                         3
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


2.2. Equilibrio liquido–vapor:

Los equilibrios térmicos y mecánicos se miden directamente, a diferencia del equilibrio químico, el
cual se encuentra por medio de las fugacidades de los componentes en las fases presentes de la
mezcla, a la temperatura y presión de operación, además de las características moleculares de las
sustancias que componen la mezcla. Esto expresado de forma matemática, puede resumirse como
sigue

Como se puede observar la composición en la fase de vapor es función de la composición en la fase
liquida, la presión, la temperatura y el comportamiento intermolecular de las sustancias presentes en
la mezcla, este último expresado implícitamente en los coeficientes de fugacidad y actividad, f y g
respectivamente.

Cuando se tratan soluciones ideales, como mezclas de hidrocarburos livianos, los coeficientes de
actividad y fugacidad se consideran igual a la unidad; por lo tanto, la composición en la fase vapor es
función solo de la presión y la temperatura, expresada esta última en la presión de vapor del
componente.

Los equilibrios vapor- líquido para una mezcla están descritos por los coeficientes de distribución,
razones de equilibrio k

         K valores y valores relativos de la volatilidad

Puede haber datos de VLE para las mezclas de cuatro o más componentes, pero un diagrama del
punto tan que hierve es duro de demostrar en forma tabular o gráfica. Para tales mezclas
multicomponente, así como mezclas binarias, los datos del equilibrio del vapor-líquido se
representan en términos de K valores cocientes de la distribución del vapor-líquido definido cerca
cuáles se correlacionan empírico o teóricamente en términos de composiciones de la temperatura,
de la presión y de la fase bajo la forma de ecuaciones, tablas o gráfico tal como las cartas bien
conocidas de DePriester.

K para cada componente la relación entre las fracciones molares de las fases de vapor y líquido en
equilibrio:

Ki = yi / xi

Si las leyes de Raoult y Dalton son aplicables, se pueden calcular a partir de la presión de vapor y la
presión total del sistema:




                                                                                                     4
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




Para las mezclas binarias, el cociente del K los valores para los dos componentes se llaman
volatilidad relativa denotado cerca α cuál es una medida de la facilidad o de la dificultad relativa de
separar los dos componentes. La destilación industrial en grande se emprende raramente si la
volatilidad relativa es menos de 1.05 con ser componente volátil i y el ser componente menos volátil
j. K los valores son ampliamente utilizados en los cálculos del diseño de destilación continua
columnas para destilar mezclas de varios componentes.

       Cálculo del punto de burbuja y del punto de rocío.

 La determinación de la temperatura de burbuja (temperatura inicial de ebullición de una mezcla
líquida) o de la temperatura de rocío (temperatura inicial de condensación) son necesarias para el
cálculo de una destilación súbita o para cada una de las etapas de una destilación multicomponente.
Las ecuaciones básicas para la temperatura de burbuja son:




Las ecuaciones básicas para la temperatura de rocío son:




Donde Nc es el número de componentes.

Para utilizar la Ecuación la temperatura de burbuja se supone un valor de la temperatura y los
valores de Ki se obtienen a partir de tablas publicadas o de datos de presión de vapor conocida la
presión total. Si el sumatorio de Kixi es superior a l, se elige una temperatura inferior y se repite el
cálculo hasta que se cumpla la Ecuación. Si la temperatura de burbuja se determina exactamente
(∑Kixi =1), la composición del vapor en equilibrio con este líquido viene dada directamente por los
términos Kixi. Sin embargo, cuando el sumatorio es próximo a l, la composición del vapor se puede
determinar con poco error a partir de la contribución relativa de cada término al sumatorio:




                                                                                                      5
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




Un procedimiento similar se utiliza para determinar la temperatura de rocío de una mezcla de vapor
así como la composición del líquido en equilibrio con esta mezcla.

Simulación y diseño de procesos industriales por CHEMCAD

CHEMCAD es una herramienta de simulación de procesos muy amigable y rigurosa que junto a sus
diferentes módulos integrados logran resolver el 95% de los problemas en la ingeniería química en
tiempo récord y con resultados confiables.

Importantes corporaciones a escala global han hecho de CHEMCAD su estándar gracias a su Alta
Sofisticación Tecnológica y Excelente servicio de Soporte Técnico.

CHEMCAD es utilizado para estudiar y calcular cargas de calores, requerimientos de energía,
equilibrios químicos y de fases, el comportamiento de equipos complejos como torres multi-etapas,
balances de masa, dimensionamiento de equipos, entre otros cálculos.

Para realizar cálculos de equilibrio líquido-vapor CHEMCAD cuenta con más de 45 opciones
termodinámicas que permiten modelar sistemas complejos y desviados de la idealidad como:
petróleo, gas natural, químicos comunes, químicos desviados de la realidad (mezclas azeotrópicas),
metanol, aminas, fluoruro de hidrógeno, etc

Además de las propiedades físicas estándar, hay datos para los parámetros de interacción binaria
para alrededor de 6000 pares de compuestos, para los modelos NRTL, UNIQUAC, Margules, Wilson
y Van Laar. Estos datos son accesibles directamente desde cualquier simulación. Además se
pueden visualizar o imprimir datos individuales de compuestos o grupos de compuestos.

3.   EQUIPOS Y MATERIALES
    Vasos de precipitado
    Termómetros
    Termocuplas
    Refractómetro
    Alcohol comercial
    Agua
    Acido Acetico
    Hornilla
    Pipeta
    Probeta
    Simulador “ChemCad 6.2”
    Computadora

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Laboratorio de Operaciones Unitarias III


4. Procedimiento

 Colocar en un vaso de precipitado 15 ml de ácido Acetico puro y calentarlo en la hornilla hasta
  la temperatura de burbuja y medirla con termómetros posteriormente comprobar esta
  temperatura con la obtenida en el simulador y por lo menos con una ecuación de vapor
 Medir 15 ml de agua mezclarlo con el acido acético y medir la temperatura de burbuja y
  comparar con la calculada en el simulador
 Medir 25 ml de alcohol comercial añadir a la mezcla de ácido acético, agua y medir su
  temperatura de burbuja y comparar con los obtenidos en el simulador y por lo menos con un
  metodo de resolución manualmente

5. Cálculos modo manual (hoja electrónica de Microsoft EXCEL)

Datos:
Pat.=540.7945 mmHg

                      N             Acido        Agua(ml)     Etanol(ml)        T ebullición      Vol. total
                                   acético                                          (°C)
                                     (ml)
                      1               15            0                0             105.3                15
                      2              15            15                0             93.1                 30
                      3              15            15               25              78                  55




                     compuesto               densidad(gr/ml)                               PM(gr/mol)

                          ac.ac                             1.049                              60.052
                          agua                              0.998                           18.0148
                          etanol                            0.789                           46.0684




   %vol ac.   %vol     %vol         n ac.aceti      n agua          n etanol     n total          x1            x2      x3
     Ac       agua    etanol
     1        0.00     0.00           0.262          0.000           0.000        0.262          1.000         0.000    0

     0.5      0.50        0.00        0.262          0.831           0.000        1.093          0.240         0.760    0

   0.272727   0.29        0.44        0.262          0.886           0.411        1.559          0.168         0.568   0.264




                                                                                                                               7
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




    Calculo de la temperatura de burbuja
    Calcular la Temperatura de punto burbuja o ebullición analítica, de cada muestra:
        Considerando un sistema ideal:                                  Pi s
                                                              Ki 
                                                                        P
                   Temperatura de ebullición                  
                   y
                       Suponer T

                      Calcular
                      Calcular
                      Calcular                                    SI
                      SI:                                                                            FIN
                               NO


       Determinar       , para cada muestra, Ecuación de Antoine



        Dónde:

                                      compuesto      ant_A           ant_B             ant_C
                                         ac.ac       16.808        3405.57             -56.34
                                         agua       18.3036        3816.44             -46.13
                                        etanol      18.9119        3803.98             -41.68


      1. Acido acético puro aplicando la Ecuación de Antonie
         Teb =380.2185 K

      2. Mezcla binaria Ácido Acético – Agua
         Compuesto liviano  agua
         Compuesto pesado ácido Acetico
  N         X2          X1           T sup        Ps2             Ps1           K2               K1          Y2      Y1     (y1+y2)-1=0
  1        0.240       0.760        366.000      333.695      585.448          0.617            1.083       0.148   0.823    -2.90E-02
  2        0.240       0.760        367.000      345.720      607.627          0.639            1.124       0.153   0.854    7.48E-03
  3        0.240       0.760        366.800      343.287      603.137          0.635            1.115       0.152   0.848    9.10E-05




Teb= 343.287 K =70.137 °C




                                                                                                                            8
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


    3. Mezcla ternaria Ácido Acético – Agua – Etanol
       Compuesto liviano        Etanol
       Compuesto pesado         agua
       Compuesto más pesado ácido Acetico
             N          X Ac     X ag.       X alc.         T sup          Ps ac.   Ps agua     Ps alc.

             1         0.168     0.568       0.264         350.000       183.280    312.358    716.325

             2         0.168     0.568       0.264         358.000       249.278    431.092    978.643

             3         0.168     0.568       0.264         357.800       247.418    427.720    971.225




            K ac.       K ag.    K alc.        Y ac.        Y ag.        Y alc.      (y1+y2+y3)-1=0

            0.339      0.578     1.325         0.057        0.328        0.349          -2.66E-01

            0.461      0.797     1.810         0.077        0.453        0.477          7.53E-03

            0.458      0.791     1.796         0.077        0.450        0.473          -2.06E-04




Teb= 357.8 K =84.65 °C

       Considerando un sistema real:                                     Pi s
                                                                Ki  
                                                                         P
        Compuesto liviano  agua
        Compuesto pesado ácido Acetico


                 Temperatura de ebullición                                     y


                    Suponer T
                    Calcular
                    Calcular
                    Calcular                                       Caso II: Gas ideal, solución real.
                    Calcular
                    SI:                                                                      FIN
                         SI NO


      Margules para determinar




                                                                                                            9
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


                 4. Mezcla binaria Ácido Acético – Agua




Tburbuja (ºK)         P (mmHg)            Xw              XA            PSW             PSA
                                                                                                       A12            A21
  370.00              549.7945           0.760           0.240         678.399        383.937         0.418          0.953
  380.00              549.7945           0.760           0.240         965.536        536.969         0.418          0.953
  360.00              549.7945           0.760           0.240         466.053        268.520         0.418          0.953
  365.00              549.7945           0.760           0.240         563.947        322.015         0.418          0.953
  363.50              549.7945           0.760           0.240         532.931        305.123         0.418          0.953
  364.00              549.7945           0.760           0.240         543.108        310.671         0.418          0.953
  362.80              549.7945           0.760           0.240         518.952        297.493         0.418          0.953
  362.90              549.7945           0.760           0.240         520.924        298.570         0.418          0.953



                 γW               γA              Kw             KA            Yw              YA      ∑Yi ≤ 1E-3
                1.074            1.734           1.325         1.211          1.007           0.291    2.97E-01
                1.074            1.734           1.885         1.694          1.433           0.407    8.39E-01
                1.074            1.734           0.910         0.847          0.692           0.203    1.05E-01
                1.074            1.734           1.101         1.016          0.837           0.244    8.07E-02
                1.074            1.734           1.041         0.963          0.791           0.231    2.19E-02
                1.074            1.734           1.060         0.980          0.806           0.235    4.12E-02
                1.074            1.734           1.013         0.938          0.770           0.225    4.66E-03
                1.074            1.734           1.017         0.942          0.773           0.226    9.19E-04



                 Teb=362.9 K = 89.75 °C




                                                                                                                    10
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


           5. Mezcla ternaria Ácido Acético – Agua – Etanol




Tburbuja (ºK)   P (mmHg)        Xw              XA              XE                PSW             PSA             PSE
 350.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            312.358     183.280             716.325
 360.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            466.053     268.520             1055.452
 340.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            203.725     121.776             473.693
 355.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            382.781     222.553             872.203
 352.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            339.093     198.237             775.610
 351.000         549.7945      0.568           0.168           0.264            325.495     190.638             745.474
 352.500         549.7945      0.568           0.168           0.264            346.068     202.130             791.057
 354.154         549.7945      0.568           0.168           0.264            370.009     215.460             843.999



                                                                                                γW       γA             γE
    A12            A21          A13             A31              A23               A32

   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297
   0.418          0.953        0.795           1.602           3.949              6.242     1.056       1.079       1.297



       Kw                 KA            KE              Yw                 YA              YE             ∑Yi ≤ 1E-3
      0.600          0.360             1.690           0.341              0.060           0.446            1.53E-01
      0.895          0.527             2.490           0.508              0.089           0.657            2.54E-01
      0.391          0.239             1.118           0.222              0.040           0.295            4.43E-01
      0.735          0.437             2.058           0.418              0.073           0.543            3.42E-02
      0.651          0.389             1.830           0.370              0.065           0.483            8.16E-02
      0.625          0.374             1.759           0.355              0.063           0.464            1.18E-01
      0.665          0.397             1.867           0.377              0.067           0.493            6.31E-02
      0.711          0.423             1.992           0.404              0.071           0.526            4.06E-04



                                                                                                                   11
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


        Teb = 354.154 K = 81.004°C

               SIMULADOR ChemCad

  Sistema Binario Agua-Ácido Acético
Temperaturas de burbuja
                                        Modelo    Temperatura
                                                  (ºC)
                                        NRTL            93.00912
                                        TK Wilson       93.00912
                                        Van Laar        95.81942
                                        Margules        95.81942
                                        UNIFAC          91.74234
                                        UNIQUAC         92.81012
                                        Wilson          92.93690



               SIMULADOR ChemCad

       Sistema Ternario Etanol-Agua-Ácido Acético

Temperaturas de burbuja

                                        Modelo    Temperatura
                                                  (ºC)
                                        NRTL            78.11234
                                        TK Wilson       85.97353
                                        Van Laar        85.97360
                                        Margules        85.97353
                                        UNIFAC          78.16528
                                        UNIQUAC         78.16188
                                        Wilson          78.23808



               Comparando las temperaturas de todos los casos con la experimental



                                 EXPERIMENTAL                                   IDEAL         ANALITICO
                                                                                             (MARGULES)
    N       Acido acético (ml)   Agua(ml)    Etanol(ml)   T ebullición (°C)   T ebullición   T ebullición
                                                                                  (°C)           (°C)
    1              15               0            0             105.3            107.0685
    2              15              15            0              93.1            70.137          89.75
    3              15              15            25              78              84.65         81.004



                                                                                                            12
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             Graficas T-X-Y
                  AGUA- ALCOHOL

P=540.7945




P=3 atm




                                                                        13
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




P=10 atm




P= 20 atm




                                                 14
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


 AGUA-ACIDO ACETICO
  P=540.7945




  P=3 atm




                                                            15
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P=10 atm




P= 20 atm




                                                 16
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              ALCOHOL -ACIDO ACETICO

P=540.7945




P=3 atm




                                                                             17
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




P=10 atm




P= 20 atm




                                                 18
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




             Graficas X-Y
             AGUA- ALCOHOL

P=540.7945




P=3 atm




                                                                   19
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P=10 atm




P= 20 atm




                                                 20
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


             AGUA-ACIDO ACETICO

P=540.7945 mmHg




P=3 atm




                                                                        21
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P=10 atm




P= 20 atm




                                                 22
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




             ALCOHOL -ACIDO ACETICO

P=540.7945 mmHg




P=3 atm




                                                                            23
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




P=10 atm




P= 20 atm




                                                 24
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


a.   Flash isotérmico y adiabático
        Resolución del problema 7.22
     PENG ROBINSON




               Composición     Zi
                   C2         0.03
                   C3          0.2
                   nC4        0.37
                   nC5        0.35
                   nC6        0.05
        a. CALCULO DE LAS COMPOSICIONES DE SALIDA

     PENG ROBINSON (SIMULADOR)

     CALCULO DE ENTALPIAS CON PENG ROBINSON




                                                                                         25
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


CALCULO DE ENTALPIAS CON REDLICH WONG




   b. CONDICIONES ÓPTIMAS PARA OBTENER A MAYOR CANTIDAD DE PROPANO EN EL
      PRODUCTO DE FASE VAPOR

TABLA DE ITERACION

                                   CONDICIONES OPTIMAS
              T sal calentador (ºF) c3 lbmol/h    c4 lbmol/h       c3-c4
                                200     11,04643      11,62183      -0,5754
                                190     9,874969      9,775784    0,099185
                                180     8,627516      8,025459    0,602057
                                170     7,307203      6,380461    0,926742
                                160     5,920505       4,84946    1,071045
                                150     4,479269      3,441186    1,038083
                                155     5,205629      4,129358    1,076271
                                154     5,061194      3,989131    1,072063
                                156     5,349587      4,270854    1,078733
                                157     5,493073      4,413615    1,079458
                                158     5,636041      4,557622    1,078419




                                                                                         26
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Stream No.               1       2       3        4
Stream Name
Temp F             150.0000* 157.0000 133.0024* 133.0024
Pres psia          260.0000* 250.0000 100.0000 100.0000
Enth MMBtu/h            -6.2630    -6.2354     -6.2354 -0.64665
Vapor mole fraction      0.00000* 0.00000         0.13253     1.0000
Total lbmol/h         100.0000 100.0000 100.0000           13.2535
Total lb/h         6078.8164 6078.8164 6078.8164 678.7837
Total std L ft3/hr    165.3922 165.3922 165.3922            20.1157
Total std V scfh      37947.86 37947.86 37947.86           5029.40
Flowrates in lb/h
Ethane             90.2100     90.2100     90.2100     44.8217
Propane             881.9200 881.9200 881.9200 242.2212
N-Butane            2150.5510 2150.5510 2150.5510 256.5307
N-Pentane           2525.2500 2525.2500 2525.2500 127.3343
N-Hexane             430.8850 430.8850 430.8850            7.8757

Stream No.               5
Stream Name
Temp F             133.0024
Pres psia          100.0000
Enth MMBtu/h            -5.5888
Vapor mole fraction      0.00000
Total lbmol/h         86.7466
Total lb/h         5400.0327
Total std L ft3/hr    145.2765
Total std V scfh      32918.46
Flowrates in lb/h
Ethane             45.3883
Propane             639.6989
N-Butane              1894.0204
N-Pentane             2397.9158
N-Hexane               423.0093

    c. Determinar la fase en punto 1 y 2 aplicando criterios de presión y temperatura con el
       simulador y la ecuación de Mc Williams.

Resolución manual por con la Ec. De McWilliams




Algoritmo de cálculo para la Temperatura de Burbuja

    -    P, Zi = Xi
    -    Suponer Tburbuja
    -    Calcular Ki con ec. De McWilliams
    -    Calcular Yi = Ki * Xi
    -    Σ Yi – 1 =1E-3
         No Si→FIN




                                                                                                            27
Laboratorio de Operaciones Unitarias III




PUNTO 1

P = 260 psia                      Tsup = Tburbuja = 675.185 ºR

Comp    Zi        aT1     aT2   aT6            aP1       aP2      aP3         Ki             Yi
c2      0,03   -687248,25   0 7,90699           -0,886 49,0265        0    4,3640114         0,13092
c3       0,2 -970688,5625   0 7,15059        -0,76984        0   6,9022    2,1532594        0,430652
nc4     0,37     -1280557   0 7,94986        -0,96455        0        0    0,8003169        0,296117
nc5     0,35     -1524891   0 7,33129        -0,89143        0        0    0,3788194        0,132587
nc6     0,05     -1778901   0 6,96783        -0,84634        0        0    0,1938588        0,009693
                                                                                       Σ = 0,999969
Σ Yi – 1 = 0.00000518 = 0

Tburbuja = 675.185 ºR > 610 ºR =Top → Liq. Subenfriado

PUNTO 2

P = 250 psia                      Tsup = Tburbuja = 670.478 ºR

Comp Zi     aT1          aT2 aT6       aP1        aP2     aP3                      Ki          Yi = Ki *Xi
c2     0,03   -687248,25   0   7,90699     -0,886 49,0265        0              4,4237224          0,132712
c3      0,2 -970688,5625   0   7,15059  -0,76984        0   6,9022               2,156029          0,431206
nc4    0,37     -1280557   0   7,94986  -0,96455        0        0              0,7989519          0,295612
nc5    0,35     -1524891   0   7,33129  -0,89143        0        0              0,3742563           0,13099
nc6    0,05     -1778901   0   6,96783  -0,84634        0        0              0,1896917          0,009485
                                                                                               Σ = 1,000004
Σ Yi – 1 = 0.00000398 = 0

Algoritmo de cálculo para la Temperatura de Rocío

        -      P, Zi = Yi
        -      Suponer Tburbuja
        -      Calcular Ki con ec. De McWilliams
        -      Calcular Xi = Yi / Ki
        -      Σ Xi – 1 =1E-3
        -      No Si→FIN

P = 250 psia                      Tsup = Trocio = 737.96 ºR

Comp   Zi   aT1           aT2   aT6        aP1         aP2        aP3    Ki          Xi = Yi/Ki
c2     0,03    -687248,25     0    7,90699      -0,886    49,0265      0   5,7764716     0,0051935
c3      0,2 -970688,5625      0    7,15059   -0,76984           0 6,9022    3,142819     0,0636371
nc4    0,37      -1280557     0    7,94986   -0,96455           0      0   1,3135039     0,2816893
nc5    0,35      -1524891     0    7,33129   -0,89143           0      0   0,6765131     0,5173588
nc6    0,05      -1778901     0    6,96783   -0,84634           0      0    0,378428     0,1321255
                                                                                         Σ = 1,0000042



                                                                                                       28
Laboratorio de Operaciones Unitarias III


   Σ Xi – 1 = 0.00000421 = 0

   Trocio = 737.96 ºR > 719.67 ºR → Mezcla Liq. Vapor



6. Conclusiones

   La practica en laboratorio de transferencia de masa referida al tema de Equilibrio líquido Vapor y
   Diagramas de fases, ha sido a consideración nuestra una de las más importantes porque gracias a
   su comprensión se puede determinar los diferentes procesos de separación (destilación) de un
   determinado fluido que contiene varios componentes. Este estudio será muy importante en nuestra
   vida laboral.

   El experimento consistía en un análisis empírico y analítico de un sistema compuesto por agua,
   etanol y ácido Acetico el cual fue realizado con la mayor precisión posible en las mediciones
   realizadas con los diferentes instrumentos. Las desviaciones que se observan en las gráficas
   pueden corresponder a factores como imperfecciones humanas al realizar las mediciones, la no
   perfecta calibración de los instrumentos utilizados, las influencia del medio ambiente sobre las
   muestras, etc. A pesar de estas pequeñas anomalías, podemos decir que las graficas muestran una
   buena aproximación, las curvas obtenidas con los datos experimentales son, sino iguales, similares
   a las obtenidas con los datos teóricos o analíticos.

   El cálculo se efectuó utilizando diversas ecuaciones en las cuales se ha optado por tomar la presión
   atmosférica de Sucre obtenida mediante la temperatura de ebullición del agua, porque debemos
   tomar la mayoría de los datos reales para que nuestros resultados sean los más correctos.

   Como se observa en los diagramas, la mayor anomalía que podemos observar esta ubicada en el
   diagrama T-x-y ya que las curvas de rocio y burbuja distan un poco de nuestras expectativas. Esto
   puede deberse a la impureza del alcohol que se encuentra con una cantidad pequeña de agua que
   hace variar la convergencia de los puntos inferiores. Sin embargo este diagrama tiene una forma
   similar a los diagramas ya estudiados en este tema.

   A pesar de estos pequeños inconvenientes, podemos afirmar que la práctica de laboratorio se ha
   llevado a cabo con mucho éxito, porque se ha comprendido muy bien todas las variables implicadas,
   se ha conseguido buenos resultados y sobretodo se ha aprendido el procedimiento de estos
   procesos y el correcto uso del simulador ChemCad v.6 que serán sin duda una parte importante en
   nuestro futuro desempeño profesional.




                                                                                                    29
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7. Bibliografía

        Operaciones de separación por etapas en ingeniería química. “Ernest, Henley”. Edición
         Reverte.
         Equilibro de Fases. “Wallas”
         Química General. “Whitten”. Tabla, página 28.
          Wikipedia
          Henley, Equilibrio de Estado en operaciones de separación para ingeniería química
          Phase Equilibria in Chemical Engineering, Stanley Wallas.
          MCCABE AND SMITH. (1991) - Operaciones Unitarias En Ingenieria.




                                                                                                  30
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Equilibrio de mezaclas multi componentes

  • 1. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Practica #2 Equilibrio de Mezclas Multi componente y Simulación 1. Objetivos  Determinar la temperatura de burbuja para una mezcla ternaria de Etanol-Agua-Acido Acético experimentalmente y analíticamente utilizando simuladores como ChemCad 6  Analizar el efecto del modelo termodinámico elegido para evaluar el equilibrio, temperatura de burbuja y temperatura de rocio  Estudiar el efecto de la variación de presión en los diagramas de equilibrio liq-vap T-X-Y; X-Y para los sistemas de Agua-Etanol; Agua-Ácido Acético; Etanol-Ácido Acético utilizando el simulador ChemCad  Aplicar los simuladores al flash isotérmico y adiabático para determinar las condiciones óptimas de operación (P,T). para el caso de estudio se buscará obtener la mayor cantidad de propano en fase vapor 2. Fundamento teórico Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. 2.1. Destilación Sencilla – Instantánea.- La destilación instantánea o destilación en el equilibrio o simplemente flash, es una operación de una sola etapa que puede realizarse por lotes o en continuo. Un equipo de destilación instantánea consta de un tanque donde se forman las dos fases, de una válvula que une dos zonas de presiones diferentes y de un intercambiador que permite acondicionar el alimento. 1
  • 2. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema. El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases). A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como: 1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento ( o compuesto) en otro 3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas Multicomponente tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos. 2.1.2. Regla de las fases Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por: P+F=C+2 Donde: C = número de componentes del sistema 2
  • 3. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P = número de fases presentes en el equilibrio F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición) En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases(P), componentes(C), y grados de libertas o varianza (F) para sistemas Multicomponente en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P. 2.1.3 Componente (de un sistema): es el menor número de constituyentes químicos independientemente de las variables necesarias y suficientes para expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio 2.1.4 Fase: es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en si mismo y unido por una superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fracción. Una fracción separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro. - Un sistema compuesto por una fase es homogéneo - Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios heterogéneos. Grado de libertad (o varianza): es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de 6 Una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables. F=0 indica invariante F=1 univariante F=2 bivariante La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1.- Equilibrio homogéneo en cada fase 2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la 3
  • 4. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 2.2. Equilibrio liquido–vapor: Los equilibrios térmicos y mecánicos se miden directamente, a diferencia del equilibrio químico, el cual se encuentra por medio de las fugacidades de los componentes en las fases presentes de la mezcla, a la temperatura y presión de operación, además de las características moleculares de las sustancias que componen la mezcla. Esto expresado de forma matemática, puede resumirse como sigue Como se puede observar la composición en la fase de vapor es función de la composición en la fase liquida, la presión, la temperatura y el comportamiento intermolecular de las sustancias presentes en la mezcla, este último expresado implícitamente en los coeficientes de fugacidad y actividad, f y g respectivamente. Cuando se tratan soluciones ideales, como mezclas de hidrocarburos livianos, los coeficientes de actividad y fugacidad se consideran igual a la unidad; por lo tanto, la composición en la fase vapor es función solo de la presión y la temperatura, expresada esta última en la presión de vapor del componente. Los equilibrios vapor- líquido para una mezcla están descritos por los coeficientes de distribución, razones de equilibrio k  K valores y valores relativos de la volatilidad Puede haber datos de VLE para las mezclas de cuatro o más componentes, pero un diagrama del punto tan que hierve es duro de demostrar en forma tabular o gráfica. Para tales mezclas multicomponente, así como mezclas binarias, los datos del equilibrio del vapor-líquido se representan en términos de K valores cocientes de la distribución del vapor-líquido definido cerca cuáles se correlacionan empírico o teóricamente en términos de composiciones de la temperatura, de la presión y de la fase bajo la forma de ecuaciones, tablas o gráfico tal como las cartas bien conocidas de DePriester. K para cada componente la relación entre las fracciones molares de las fases de vapor y líquido en equilibrio: Ki = yi / xi Si las leyes de Raoult y Dalton son aplicables, se pueden calcular a partir de la presión de vapor y la presión total del sistema: 4
  • 5. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Para las mezclas binarias, el cociente del K los valores para los dos componentes se llaman volatilidad relativa denotado cerca α cuál es una medida de la facilidad o de la dificultad relativa de separar los dos componentes. La destilación industrial en grande se emprende raramente si la volatilidad relativa es menos de 1.05 con ser componente volátil i y el ser componente menos volátil j. K los valores son ampliamente utilizados en los cálculos del diseño de destilación continua columnas para destilar mezclas de varios componentes.  Cálculo del punto de burbuja y del punto de rocío. La determinación de la temperatura de burbuja (temperatura inicial de ebullición de una mezcla líquida) o de la temperatura de rocío (temperatura inicial de condensación) son necesarias para el cálculo de una destilación súbita o para cada una de las etapas de una destilación multicomponente. Las ecuaciones básicas para la temperatura de burbuja son: Las ecuaciones básicas para la temperatura de rocío son: Donde Nc es el número de componentes. Para utilizar la Ecuación la temperatura de burbuja se supone un valor de la temperatura y los valores de Ki se obtienen a partir de tablas publicadas o de datos de presión de vapor conocida la presión total. Si el sumatorio de Kixi es superior a l, se elige una temperatura inferior y se repite el cálculo hasta que se cumpla la Ecuación. Si la temperatura de burbuja se determina exactamente (∑Kixi =1), la composición del vapor en equilibrio con este líquido viene dada directamente por los términos Kixi. Sin embargo, cuando el sumatorio es próximo a l, la composición del vapor se puede determinar con poco error a partir de la contribución relativa de cada término al sumatorio: 5
  • 6. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Un procedimiento similar se utiliza para determinar la temperatura de rocío de una mezcla de vapor así como la composición del líquido en equilibrio con esta mezcla. Simulación y diseño de procesos industriales por CHEMCAD CHEMCAD es una herramienta de simulación de procesos muy amigable y rigurosa que junto a sus diferentes módulos integrados logran resolver el 95% de los problemas en la ingeniería química en tiempo récord y con resultados confiables. Importantes corporaciones a escala global han hecho de CHEMCAD su estándar gracias a su Alta Sofisticación Tecnológica y Excelente servicio de Soporte Técnico. CHEMCAD es utilizado para estudiar y calcular cargas de calores, requerimientos de energía, equilibrios químicos y de fases, el comportamiento de equipos complejos como torres multi-etapas, balances de masa, dimensionamiento de equipos, entre otros cálculos. Para realizar cálculos de equilibrio líquido-vapor CHEMCAD cuenta con más de 45 opciones termodinámicas que permiten modelar sistemas complejos y desviados de la idealidad como: petróleo, gas natural, químicos comunes, químicos desviados de la realidad (mezclas azeotrópicas), metanol, aminas, fluoruro de hidrógeno, etc Además de las propiedades físicas estándar, hay datos para los parámetros de interacción binaria para alrededor de 6000 pares de compuestos, para los modelos NRTL, UNIQUAC, Margules, Wilson y Van Laar. Estos datos son accesibles directamente desde cualquier simulación. Además se pueden visualizar o imprimir datos individuales de compuestos o grupos de compuestos. 3. EQUIPOS Y MATERIALES  Vasos de precipitado  Termómetros  Termocuplas  Refractómetro  Alcohol comercial  Agua  Acido Acetico  Hornilla  Pipeta  Probeta  Simulador “ChemCad 6.2”  Computadora 6
  • 7. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 4. Procedimiento  Colocar en un vaso de precipitado 15 ml de ácido Acetico puro y calentarlo en la hornilla hasta la temperatura de burbuja y medirla con termómetros posteriormente comprobar esta temperatura con la obtenida en el simulador y por lo menos con una ecuación de vapor  Medir 15 ml de agua mezclarlo con el acido acético y medir la temperatura de burbuja y comparar con la calculada en el simulador  Medir 25 ml de alcohol comercial añadir a la mezcla de ácido acético, agua y medir su temperatura de burbuja y comparar con los obtenidos en el simulador y por lo menos con un metodo de resolución manualmente 5. Cálculos modo manual (hoja electrónica de Microsoft EXCEL) Datos: Pat.=540.7945 mmHg N Acido Agua(ml) Etanol(ml) T ebullición Vol. total acético (°C) (ml) 1 15 0 0 105.3 15 2 15 15 0 93.1 30 3 15 15 25 78 55 compuesto densidad(gr/ml) PM(gr/mol) ac.ac 1.049 60.052 agua 0.998 18.0148 etanol 0.789 46.0684 %vol ac. %vol %vol n ac.aceti n agua n etanol n total x1 x2 x3 Ac agua etanol 1 0.00 0.00 0.262 0.000 0.000 0.262 1.000 0.000 0 0.5 0.50 0.00 0.262 0.831 0.000 1.093 0.240 0.760 0 0.272727 0.29 0.44 0.262 0.886 0.411 1.559 0.168 0.568 0.264 7
  • 8. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Calculo de la temperatura de burbuja  Calcular la Temperatura de punto burbuja o ebullición analítica, de cada muestra: Considerando un sistema ideal: Pi s Ki  P Temperatura de ebullición  y Suponer T  Calcular  Calcular  Calcular SI  SI: FIN NO  Determinar , para cada muestra, Ecuación de Antoine Dónde: compuesto ant_A ant_B ant_C ac.ac 16.808 3405.57 -56.34 agua 18.3036 3816.44 -46.13 etanol 18.9119 3803.98 -41.68 1. Acido acético puro aplicando la Ecuación de Antonie Teb =380.2185 K 2. Mezcla binaria Ácido Acético – Agua Compuesto liviano  agua Compuesto pesado ácido Acetico N X2 X1 T sup Ps2 Ps1 K2 K1 Y2 Y1 (y1+y2)-1=0 1 0.240 0.760 366.000 333.695 585.448 0.617 1.083 0.148 0.823 -2.90E-02 2 0.240 0.760 367.000 345.720 607.627 0.639 1.124 0.153 0.854 7.48E-03 3 0.240 0.760 366.800 343.287 603.137 0.635 1.115 0.152 0.848 9.10E-05 Teb= 343.287 K =70.137 °C 8
  • 9. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 3. Mezcla ternaria Ácido Acético – Agua – Etanol Compuesto liviano  Etanol Compuesto pesado  agua Compuesto más pesado ácido Acetico N X Ac X ag. X alc. T sup Ps ac. Ps agua Ps alc. 1 0.168 0.568 0.264 350.000 183.280 312.358 716.325 2 0.168 0.568 0.264 358.000 249.278 431.092 978.643 3 0.168 0.568 0.264 357.800 247.418 427.720 971.225 K ac. K ag. K alc. Y ac. Y ag. Y alc. (y1+y2+y3)-1=0 0.339 0.578 1.325 0.057 0.328 0.349 -2.66E-01 0.461 0.797 1.810 0.077 0.453 0.477 7.53E-03 0.458 0.791 1.796 0.077 0.450 0.473 -2.06E-04 Teb= 357.8 K =84.65 °C Considerando un sistema real: Pi s Ki   P Compuesto liviano  agua Compuesto pesado ácido Acetico Temperatura de ebullición  y  Suponer T  Calcular  Calcular  Calcular  Caso II: Gas ideal, solución real.  Calcular  SI: FIN SI NO  Margules para determinar 9
  • 10. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 4. Mezcla binaria Ácido Acético – Agua Tburbuja (ºK) P (mmHg) Xw XA PSW PSA A12 A21 370.00 549.7945 0.760 0.240 678.399 383.937 0.418 0.953 380.00 549.7945 0.760 0.240 965.536 536.969 0.418 0.953 360.00 549.7945 0.760 0.240 466.053 268.520 0.418 0.953 365.00 549.7945 0.760 0.240 563.947 322.015 0.418 0.953 363.50 549.7945 0.760 0.240 532.931 305.123 0.418 0.953 364.00 549.7945 0.760 0.240 543.108 310.671 0.418 0.953 362.80 549.7945 0.760 0.240 518.952 297.493 0.418 0.953 362.90 549.7945 0.760 0.240 520.924 298.570 0.418 0.953 γW γA Kw KA Yw YA ∑Yi ≤ 1E-3 1.074 1.734 1.325 1.211 1.007 0.291 2.97E-01 1.074 1.734 1.885 1.694 1.433 0.407 8.39E-01 1.074 1.734 0.910 0.847 0.692 0.203 1.05E-01 1.074 1.734 1.101 1.016 0.837 0.244 8.07E-02 1.074 1.734 1.041 0.963 0.791 0.231 2.19E-02 1.074 1.734 1.060 0.980 0.806 0.235 4.12E-02 1.074 1.734 1.013 0.938 0.770 0.225 4.66E-03 1.074 1.734 1.017 0.942 0.773 0.226 9.19E-04 Teb=362.9 K = 89.75 °C 10
  • 11. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 5. Mezcla ternaria Ácido Acético – Agua – Etanol Tburbuja (ºK) P (mmHg) Xw XA XE PSW PSA PSE 350.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 312.358 183.280 716.325 360.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 466.053 268.520 1055.452 340.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 203.725 121.776 473.693 355.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 382.781 222.553 872.203 352.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 339.093 198.237 775.610 351.000 549.7945 0.568 0.168 0.264 325.495 190.638 745.474 352.500 549.7945 0.568 0.168 0.264 346.068 202.130 791.057 354.154 549.7945 0.568 0.168 0.264 370.009 215.460 843.999 γW γA γE A12 A21 A13 A31 A23 A32 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 0.418 0.953 0.795 1.602 3.949 6.242 1.056 1.079 1.297 Kw KA KE Yw YA YE ∑Yi ≤ 1E-3 0.600 0.360 1.690 0.341 0.060 0.446 1.53E-01 0.895 0.527 2.490 0.508 0.089 0.657 2.54E-01 0.391 0.239 1.118 0.222 0.040 0.295 4.43E-01 0.735 0.437 2.058 0.418 0.073 0.543 3.42E-02 0.651 0.389 1.830 0.370 0.065 0.483 8.16E-02 0.625 0.374 1.759 0.355 0.063 0.464 1.18E-01 0.665 0.397 1.867 0.377 0.067 0.493 6.31E-02 0.711 0.423 1.992 0.404 0.071 0.526 4.06E-04 11
  • 12. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Teb = 354.154 K = 81.004°C  SIMULADOR ChemCad  Sistema Binario Agua-Ácido Acético Temperaturas de burbuja Modelo Temperatura (ºC) NRTL 93.00912 TK Wilson 93.00912 Van Laar 95.81942 Margules 95.81942 UNIFAC 91.74234 UNIQUAC 92.81012 Wilson 92.93690  SIMULADOR ChemCad  Sistema Ternario Etanol-Agua-Ácido Acético Temperaturas de burbuja Modelo Temperatura (ºC) NRTL 78.11234 TK Wilson 85.97353 Van Laar 85.97360 Margules 85.97353 UNIFAC 78.16528 UNIQUAC 78.16188 Wilson 78.23808  Comparando las temperaturas de todos los casos con la experimental EXPERIMENTAL IDEAL ANALITICO (MARGULES) N Acido acético (ml) Agua(ml) Etanol(ml) T ebullición (°C) T ebullición T ebullición (°C) (°C) 1 15 0 0 105.3 107.0685 2 15 15 0 93.1 70.137 89.75 3 15 15 25 78 84.65 81.004 12
  • 13. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  Graficas T-X-Y  AGUA- ALCOHOL P=540.7945 P=3 atm 13
  • 14. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 14
  • 15. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  AGUA-ACIDO ACETICO P=540.7945 P=3 atm 15
  • 16. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 16
  • 17. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  ALCOHOL -ACIDO ACETICO P=540.7945 P=3 atm 17
  • 18. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 18
  • 19. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  Graficas X-Y  AGUA- ALCOHOL P=540.7945 P=3 atm 19
  • 20. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 20
  • 21. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  AGUA-ACIDO ACETICO P=540.7945 mmHg P=3 atm 21
  • 22. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 22
  • 23. Laboratorio de Operaciones Unitarias III  ALCOHOL -ACIDO ACETICO P=540.7945 mmHg P=3 atm 23
  • 24. Laboratorio de Operaciones Unitarias III P=10 atm P= 20 atm 24
  • 25. Laboratorio de Operaciones Unitarias III a. Flash isotérmico y adiabático Resolución del problema 7.22 PENG ROBINSON Composición Zi C2 0.03 C3 0.2 nC4 0.37 nC5 0.35 nC6 0.05 a. CALCULO DE LAS COMPOSICIONES DE SALIDA PENG ROBINSON (SIMULADOR) CALCULO DE ENTALPIAS CON PENG ROBINSON 25
  • 26. Laboratorio de Operaciones Unitarias III CALCULO DE ENTALPIAS CON REDLICH WONG b. CONDICIONES ÓPTIMAS PARA OBTENER A MAYOR CANTIDAD DE PROPANO EN EL PRODUCTO DE FASE VAPOR TABLA DE ITERACION CONDICIONES OPTIMAS T sal calentador (ºF) c3 lbmol/h c4 lbmol/h c3-c4 200 11,04643 11,62183 -0,5754 190 9,874969 9,775784 0,099185 180 8,627516 8,025459 0,602057 170 7,307203 6,380461 0,926742 160 5,920505 4,84946 1,071045 150 4,479269 3,441186 1,038083 155 5,205629 4,129358 1,076271 154 5,061194 3,989131 1,072063 156 5,349587 4,270854 1,078733 157 5,493073 4,413615 1,079458 158 5,636041 4,557622 1,078419 26
  • 27. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Stream No. 1 2 3 4 Stream Name Temp F 150.0000* 157.0000 133.0024* 133.0024 Pres psia 260.0000* 250.0000 100.0000 100.0000 Enth MMBtu/h -6.2630 -6.2354 -6.2354 -0.64665 Vapor mole fraction 0.00000* 0.00000 0.13253 1.0000 Total lbmol/h 100.0000 100.0000 100.0000 13.2535 Total lb/h 6078.8164 6078.8164 6078.8164 678.7837 Total std L ft3/hr 165.3922 165.3922 165.3922 20.1157 Total std V scfh 37947.86 37947.86 37947.86 5029.40 Flowrates in lb/h Ethane 90.2100 90.2100 90.2100 44.8217 Propane 881.9200 881.9200 881.9200 242.2212 N-Butane 2150.5510 2150.5510 2150.5510 256.5307 N-Pentane 2525.2500 2525.2500 2525.2500 127.3343 N-Hexane 430.8850 430.8850 430.8850 7.8757 Stream No. 5 Stream Name Temp F 133.0024 Pres psia 100.0000 Enth MMBtu/h -5.5888 Vapor mole fraction 0.00000 Total lbmol/h 86.7466 Total lb/h 5400.0327 Total std L ft3/hr 145.2765 Total std V scfh 32918.46 Flowrates in lb/h Ethane 45.3883 Propane 639.6989 N-Butane 1894.0204 N-Pentane 2397.9158 N-Hexane 423.0093 c. Determinar la fase en punto 1 y 2 aplicando criterios de presión y temperatura con el simulador y la ecuación de Mc Williams. Resolución manual por con la Ec. De McWilliams Algoritmo de cálculo para la Temperatura de Burbuja - P, Zi = Xi - Suponer Tburbuja - Calcular Ki con ec. De McWilliams - Calcular Yi = Ki * Xi - Σ Yi – 1 =1E-3 No Si→FIN 27
  • 28. Laboratorio de Operaciones Unitarias III PUNTO 1 P = 260 psia Tsup = Tburbuja = 675.185 ºR Comp Zi aT1 aT2 aT6 aP1 aP2 aP3 Ki Yi c2 0,03 -687248,25 0 7,90699 -0,886 49,0265 0 4,3640114 0,13092 c3 0,2 -970688,5625 0 7,15059 -0,76984 0 6,9022 2,1532594 0,430652 nc4 0,37 -1280557 0 7,94986 -0,96455 0 0 0,8003169 0,296117 nc5 0,35 -1524891 0 7,33129 -0,89143 0 0 0,3788194 0,132587 nc6 0,05 -1778901 0 6,96783 -0,84634 0 0 0,1938588 0,009693 Σ = 0,999969 Σ Yi – 1 = 0.00000518 = 0 Tburbuja = 675.185 ºR > 610 ºR =Top → Liq. Subenfriado PUNTO 2 P = 250 psia Tsup = Tburbuja = 670.478 ºR Comp Zi aT1 aT2 aT6 aP1 aP2 aP3 Ki Yi = Ki *Xi c2 0,03 -687248,25 0 7,90699 -0,886 49,0265 0 4,4237224 0,132712 c3 0,2 -970688,5625 0 7,15059 -0,76984 0 6,9022 2,156029 0,431206 nc4 0,37 -1280557 0 7,94986 -0,96455 0 0 0,7989519 0,295612 nc5 0,35 -1524891 0 7,33129 -0,89143 0 0 0,3742563 0,13099 nc6 0,05 -1778901 0 6,96783 -0,84634 0 0 0,1896917 0,009485 Σ = 1,000004 Σ Yi – 1 = 0.00000398 = 0 Algoritmo de cálculo para la Temperatura de Rocío - P, Zi = Yi - Suponer Tburbuja - Calcular Ki con ec. De McWilliams - Calcular Xi = Yi / Ki - Σ Xi – 1 =1E-3 - No Si→FIN P = 250 psia Tsup = Trocio = 737.96 ºR Comp Zi aT1 aT2 aT6 aP1 aP2 aP3 Ki Xi = Yi/Ki c2 0,03 -687248,25 0 7,90699 -0,886 49,0265 0 5,7764716 0,0051935 c3 0,2 -970688,5625 0 7,15059 -0,76984 0 6,9022 3,142819 0,0636371 nc4 0,37 -1280557 0 7,94986 -0,96455 0 0 1,3135039 0,2816893 nc5 0,35 -1524891 0 7,33129 -0,89143 0 0 0,6765131 0,5173588 nc6 0,05 -1778901 0 6,96783 -0,84634 0 0 0,378428 0,1321255 Σ = 1,0000042 28
  • 29. Laboratorio de Operaciones Unitarias III Σ Xi – 1 = 0.00000421 = 0 Trocio = 737.96 ºR > 719.67 ºR → Mezcla Liq. Vapor 6. Conclusiones La practica en laboratorio de transferencia de masa referida al tema de Equilibrio líquido Vapor y Diagramas de fases, ha sido a consideración nuestra una de las más importantes porque gracias a su comprensión se puede determinar los diferentes procesos de separación (destilación) de un determinado fluido que contiene varios componentes. Este estudio será muy importante en nuestra vida laboral. El experimento consistía en un análisis empírico y analítico de un sistema compuesto por agua, etanol y ácido Acetico el cual fue realizado con la mayor precisión posible en las mediciones realizadas con los diferentes instrumentos. Las desviaciones que se observan en las gráficas pueden corresponder a factores como imperfecciones humanas al realizar las mediciones, la no perfecta calibración de los instrumentos utilizados, las influencia del medio ambiente sobre las muestras, etc. A pesar de estas pequeñas anomalías, podemos decir que las graficas muestran una buena aproximación, las curvas obtenidas con los datos experimentales son, sino iguales, similares a las obtenidas con los datos teóricos o analíticos. El cálculo se efectuó utilizando diversas ecuaciones en las cuales se ha optado por tomar la presión atmosférica de Sucre obtenida mediante la temperatura de ebullición del agua, porque debemos tomar la mayoría de los datos reales para que nuestros resultados sean los más correctos. Como se observa en los diagramas, la mayor anomalía que podemos observar esta ubicada en el diagrama T-x-y ya que las curvas de rocio y burbuja distan un poco de nuestras expectativas. Esto puede deberse a la impureza del alcohol que se encuentra con una cantidad pequeña de agua que hace variar la convergencia de los puntos inferiores. Sin embargo este diagrama tiene una forma similar a los diagramas ya estudiados en este tema. A pesar de estos pequeños inconvenientes, podemos afirmar que la práctica de laboratorio se ha llevado a cabo con mucho éxito, porque se ha comprendido muy bien todas las variables implicadas, se ha conseguido buenos resultados y sobretodo se ha aprendido el procedimiento de estos procesos y el correcto uso del simulador ChemCad v.6 que serán sin duda una parte importante en nuestro futuro desempeño profesional. 29
  • 30. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 7. Bibliografía  Operaciones de separación por etapas en ingeniería química. “Ernest, Henley”. Edición Reverte.  Equilibro de Fases. “Wallas”  Química General. “Whitten”. Tabla, página 28.  Wikipedia  Henley, Equilibrio de Estado en operaciones de separación para ingeniería química  Phase Equilibria in Chemical Engineering, Stanley Wallas.  MCCABE AND SMITH. (1991) - Operaciones Unitarias En Ingenieria. 30
  • 31. Laboratorio de Operaciones Unitarias III 31