Clase Sincrónica: “Balance de Energía – Ejercicio para desarrollar”

Enlace de la clase: https://bit.ly/3jItiCF Tema 10: “Balance de Energía – Ejercicio para desarrollar”

05/04/22

Balance sin reacción química. Estimar las cantidades de vapor y agua requeridas para la columna de destilación mostrada en la figura.

90% agua

En la planta se dispone de vapor seco saturado a 25 psig (276 kN/m2), el agua de enfriamiento puede aumentar su temperatura en 30º C. La columna opera a 1 bar

Columna de Destilación

(Gonzales, 2012) El equipo que promueve la transferencia de masa y calor entre las corrientes líquidas y de vapor saturadas es conocida como “columna de destilación fraccionada”.

Está constituida por un recipiente cilíndrico dentro del cual se encuentran una serie de platos internos entre los cuales circulan vapor y líquido en contracorriente. Las dos fases presentes en cada “piso” sufren transferencia de masa y calor y se asume que se encuentran en equilibrio al dejar cada piso

Solución:

(Diquima , 2018) El funcionamiento de toda columna de destilación se basa en que existe un vapor que asciende por la columna el cual se encuentra con un líquido que desciende, entonces se produce una transferencia de materia y energía en cada etapa.

BALANCE DE MATERIA: Suponiendo régimen estacionario y realizando un balance de materia total en toda la columna se obtiene

Proceso en estado estacionario

NO EXISTE ACUMULACIÓN

��������������=������������ �� =��+��  Balance por componentes: Balance de acetona, despreciando las pérdidas de acetona en el fondo

1000×0,1=D×0,99+W×0

D= 0,99 100 Destilado(D)=101kg/h Remplazando (en la fórmula del balance de materia total)

�� =��+�� �� =��−�� �� =1000−101 ������������(��)=899����/ℎ

BALANCE DE ENERGÍA: los términos de energía cinética y energía potencial son usualmente pequeños comparados con los términos de calor y trabajo, y pueden normalmente ser despreciados

(��1��+

��1 2 2 +��1��1 +��1)+�� =(��2��+

��2 2 2

+��2��2 +��2)+�� Es conveniente tomar los términos U y PV juntos, definiendo el termino ENTALPIA (H), entonces la ecuación quedaría de la siguiente manera:

��2 −��1 =��−�� Para muchos procesos el termino de trabajo será cero por lo que:

�� =��2 −��1

Según (Diquima , 2018) los únicos aportes de calor a lo largo de la columna se realizan en el hervidor y en el condensador.

 Entradas:  calor que entra al hervidor ����  calor sensible de la alimentación ����

 Salidas:  enfriamiento para el condensador ����  calor sensible de los productos del tope y el fondo ���� +����

BALANCE DE ENERGÍA SOBRE EL SISTEMA TOTAL

CAPACIDADES CALORÍFICAS PROMEDIO: Valores obtenidas de tablas

 Acetona 25 ºC a 35 ºC 2.2����/����º��  Agua 25 ºC a 100 ºC 4.2����/����º��

CAP. CALORÍFICA PARA LAS CORRIENTES

 Alimentación: 10% de acetona y 90% de agua 0,1×2,2+0,9×4,2=4,00kJ/kgºK  Tope: tomado como acetona 2,2kJ/kgºK  Pesados: tomado como agua 4,2kJ/kgºK

Análisis en el Condensador

 RAZÓN DE REFLUJO (Para determinar la masa del vapor)

Según (Gonzales, 2012) Se denomina como razón de reflujo (R) la razón entre el caudal de la corriente reenviada (Reflujo, L) y el caudal de la corriente producida en la cima (destilado, D) que deja la columna de destilación

�� =��/�� 10=��/101 ��=10×101=1010����/ℎ �� =��+�� �� =1010+101=1111����/ℎ

 BALANCE EN EL CONDENSADOR (asumiendo condensación completa)

Proceso en estado estacionario

NO EXISTE ACUMULACIÓN  ����:entalpiadevapor  ����:entalpiadelosproductosdetope  ����:entalpiadelreflujo  ����:enfriamientoparaelcondensador

 Asumiendo una condensación completa:

��������������������������������(����)=������������������������+��������������������������  Teniendo valores del calor latente de acetona y agua como funciones de la temperatura:

 Calor latente de acetona a (56,5º�� =330º��)⟶620����/����  Calor latente del agua a (56,5º�� =330º��)⟶2500����/����

 Reemplazando:

Donde:

 m: masa del cuerpo (vapor) del condensador en kg  ������: calor latente de vaporización  ����: temperatura final  ����: temperatura inicial  ����: calor especifico del tope (condensador)

(����)=1111[(0,01×2500+0,99×620)+(56,5−25)∗2,2] (����)=1111[638,8+69,3] (����)=����������������/��

 Las entalpías de los productos del tope ���� y del reflujo ���� serán cero, ya que ellos están a la temperatura base. Ambos son líquidos, y el reflujo estará a la misma temperatura del producto.

Teniendo:

Análisis del balance de energía sobre el sistema total

 Datos del balance de materia:

 ������������������������(F)=1000kg/h  ������������������(D)=101kg/h  ������������(��)=899����/ℎ

 Determinando las entalpias:

 ���� =1000×4,00(35−25)=40000����/ℎ  ���� =899×4,2(100−25)=283185����/ℎ

BALANCE DE ENERGÍA SOBRE EL SISTEMA TOTAL

���� +���� =���� +���� +���� ���� =���� +���� +���� −���� ���� =786699+0+283185−40000 ���� =1029884����/ℎ

Determinamos el vapor y agua requeridas

 VAPOR REQUERIDO: ���� es suministrado por el vapor condensado

1029884����/ℎ 2730����/���� =377,25����/ℎ

 AGUA REQUERIDA: ���� es removido por el agua de enfriamiento con un incremento en su temperatura de 30 ºC

���� �������������������������������������� ×30 786699����/���� 4,2×30 =6243,64����/ℎ

FUENTES:

Diquima (12 de Marzo de 2018). Funcionamiento de la Columna de Destilacion . Obtenido de http://www.diquima.upm.es/old_diquima/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/C OLUMNAS/Func1.htm

Gonzales, M. (24 de Enero de 2012). Volatilidad Relativa y Destilación Fraccionada. Obtenido de La guia : https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/volatilidad-relativa-ydestilacion-fraccionada

Glosario

TERMINO

Columna de destilación

Condensador

Revaporizador

Capacidad calorífica

Razón de reflujo DEFINICIÓN

El equipo que promueve la transferencia de masa y calor entre las corrientes líquidas y de vapor saturadas es conocida como “columna de destilación fraccionada”

En la cima de la columna de destilación existe, un condensador que condensa el vapor proveniente de la columna, siendo parte del condensado llamado como reflujo envido hacia el plato superior

En la base de la columna de destilación se encuentra un revaporizador que vaporiza parte de la corriente de líquido de la base hacia el plato inferior, donde entra bajo la forma de vapor

La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta

Se denomina como razón de reflujo (R) la razón entre el caudal de la corriente reenviada y el caudal de la corriente producida en la cima, que deja la columna destilado

Conclusión

 SEMANA 10: Balance de energía

El balance de energía se basa en la ley de conservación de la energía, que indica que la energía para un proceso químico no se crea ni se destruye, solo se transforma. Esta ley, también conocida como la primera ley de la termodinámica es la base para realizar los balances de energía. Se puede entender un balance energético como una contabilidad del aporte y del consumo de energía en un sistema