Problemas Tema 4: Destilación súbita o flash y rectificación en torres de platos

4.1. Una corriente de 1000 kg/h de una mezcla de CH3CN y N(C2H5)3, del 10 % en peso, de acetonitrilo, se
somete primeramente a una destilación de flash para obtener una corriente del líquido, L, y otra de
vapor, V, en equilibrio. La corriente de vapor, V, entra como alimentación de una torre de rectificación
que produce un destilado de fracción molar de acetonitrilo, xD = 0,580 y un producto de colas cuya
composición es exactamente igual a la del líquido que sale de la cámara de flash.
La cámara de flash opera a 760 mmHg y 80 ºC. Determine la corriente de destilado, D, en kg/h, que
sale como producto de cabezas de la columna de rectificación.

V, y D
xD

F 760 mmHg
F
80 ºC

q L
x = xW
W
xW

Datos de equilibrio acetonitrilo-trietilamina en fracción molar 760 mmHg

T (ºC) x y T (ºC) x y
89,3 0,000 0,000 80,0 0,055 0,320
88,0 0,005 0,060 78,0 0,075 0,372
86,0 0,011 0,135 76,0 0,097 0,422
84,0 0,022 0,200 74,0 0,135 0,475
82,0 0,035 0,263

4.2. 1000 kg/h de una mezcla binaria llegan a una cámara de flash que trabaja a la temperatura de 64 ºC.
En ella la alimentación se separa en dos corrientes: V, rica en el componente más volátil y L, rica en el
componente menos volátil. La cámara opera en condiciones tales que L = 2V, siendo L y V
expresados en mol/h. La fracción molar del componente más volátil en L es x = 0,31. Determine:
a) presión a la que trabaja la cámara de flash
b) kg de componente volátil (1) que entran con la alimentación
Las presiones de vapor de los componentes puros pueden calcularse mediante la ecuación de Antoine:

P [=] mmHg T [=] º C

B
log P = A -
T+C
A B C
Componente 1 7,75637 1366,14 197,97
Componente 2 7,96681 1668,21 228,00

Considérese el sistema binario 1-2 como ideal; Pm(1) = 60 g/mol; Pm(2) = 18 g/mol
4.3. En un proceso industrial se obtienen dos corrientes C1 y C2 de la mezcla binaria etanol-n-decano, de
composiciones 0,8 mol etanol/mol decano y 5 g etanol/100 g decano respectivamente, Para separar
los componentes de la mezcla se utiliza una instalación de destilación cerrada y rectificación cuyo
diagrama de flujo aparece en la figura. Se quiere obtener, como destilado en la torre de rectificación,
una producción de 1000 kg/h de etanol del 99 %, en peso, mientras que por colas se obtiene decano
del 99 % en peso.El sistema de destilación cerrada se ha diseñado para que al producir un vapor de
composición del 75 % en peso, se recupere en el vapor el 80 % del componente volátil que entra en la
cámara de flash. La presión en la cámara es de 760 mmHg. Calcule:

V, 75 % D
99 %
C1 = 0,8 mol Etanol/mol Decano

760 mmHg

C2 = 5 g Etanol/100 g Decano L

W
99 %

a) flujo másico, en kg/h, de las corrientes de entrada C1 y C2

b) porcentaje de etanol recuperado en la corriente de destilado
c) temperatura de operación de la cámara de flash

Datos de equilibrio en fracción molar etanol-decano 760 mmHg

T (ºC) x y T (ºC) x y
160 0,012 0,325 90 0,118 0,935
150 0,018 0,460 85 0,200 0,948
140 0,022 0,580 82 0,370 0,958
120 0,037 0,776 80,8 0,620 0,962
110 0,050 0,846 80 0,790 0,965
100 0,070 0,900 79,1 0,910 0,977
95 0,086 0,920

4.4. Se desea separar una mezcla de metanol y agua en un tambor o cámara de flash que opera a 1 atm
de presión.
a. La alimentación contiene 60% en moles de metanol y se evapora el 40% de la mezcla. ¿Cuáles
son los flujos y composición en fracciones molares del vapor y el líquido resultantes para una
alimentación de 100 kmol/h ?
b. Repita la parte anterior con un flujo de alimentación de 1500 kmol/h
 c. Si la alimentación contiene un 30% en moles de metanol y se desea un producto líquido que
contenga 20% en moles de metanol ¿qué V/F se debe usar? Para un flujo de alimentaciónde
1000 kmol/h calcule los flujos y composiciones de los productos.
d. El tambor trabaja de tal modo que la fracción molar de metanol en el líquido es 0,45, L = 1500
kmol/h y V/F= 0,2 ¿Cuál debe ser el flujo y la composición de la alimentación?

4.5. Dos cámaras de destilación de flash están conectadas en serie de tal forma que la corriente líquida
procedente de la primera se introduce como alimentación en la segunda. Ambas operan a la presión
de 1 atm. La primera se alimenta con 10000 kmol/h de una mezcla líquida binaria de metanol y agua
que contiene 55 moles% de metanol. La fracción vaporizada en la segunda cámara (V/F)2 es 0,7 y su
producto líquido contiene 25 moles% de metanol. Calcúlense:
a. Las composiciones y flujos molares de todas las corrientes
b. Las temperaturas a las que operan las dos cámaras.
c. La fracción evaporada de la primera cámara (V/F)1

4.6. Se desea diseñar una torre de platos para rectificar 1000 kg/h de una mezcla de los compuestos A y B
de composición 25 % en masa, de A. La volatilidad media del sistema es α=1,92. Se quiere obtener
una composición de destilado xD = 0,92 y una composición de colas xW = 0,05, ambas fracción molar
de A.
Experiencias realizadas indican que el número de platos necesarios es un 50 % superior al mínimo. El
tipo de platos empleados proporcionan una eficacia global del 65%. La distancia entre platos es de 52
cm y se quiere trabajar en condiciones tales que la velocidad del vapor en la zona comprendida entre
dos platos sea siempre inferior a 0,8 m/s. La alimentación se introducirá como líquido a la temperatura
 de ebullición. Como sistema de calefacción se utilizará un cambiador introducido en el calderín que se
2
alimente con vapor saturado a la presión de 6 kg/cm . El condensador se refrigerará mediante agua a
18 ºC que no debe abandonarlo a una temperatura superior a los 35 ºC. Estime:
a) altura, diámetro de la torre y plato de alimentación
b) consumo de vapor y consumo de agua de refrigeración

3
Datos: MA = 40 g/mol; MB = 80 g/mol; densidad media de las mezclas de vapor de A y B: 0,983 kg/m ;
calores latentes de vaporización de A y B: 81 y 38 kcal/kg

4.7. Una torre de platos, cuyo comportamiento puede considerarse ideal, quiere utilizarse para rectificar
1500 kg/h de una mezcla de benceno y butanol, de composición 30 % en peso de benceno que se
introduce en la columna como líquido a 45 ºC. La composición mínima de cabezas y colas que se
desea obtener es xD = 0,93 y xw = 0,02. La relación de reflujo óptima está comprendida entre
1,7 · (L V )min < (L V ) < 1,8 · (L V )min .

Determine:
a) número de platos, plato de alimentación y composiciones del líquido y vapor que salen del
plato 2
2
b) consumo (kg/h) de vapor vivo a 6 kg/cm
3
c) consumo (m /h) de agua de refrigeración, que entra en el condensador a 17 ºC y sale a 32 ºC

Datos de equilibrio benceno-butanol 760 mmHg

x y h (kcal/mol) H (kcal/mol) x y h (kcal/mol) H (kcal/mol)
0,00 0,00 5,75 16,01 0,60 0,861 3,68 12,33
0,05 0,258 5,38 15,70 0,70 0,883 3,52 11,72
0,10 0,426 5,02 15,39 0,80 0,903 3,35 11,11
0,20 0,617 4,60 14,78 0,90 0,945 3,11 10,49
0,30 0,722 4,28 14,17 0,95 0,970 2,95 10,22
0,40 0,783 4,03 13,56 1,00 1,000 2,76 10,00
0,50 0,830 3,83 12,94

4.8. En una columna de rectificación experimental de laboratorio se quiere rectificar 1 kg/h de una mezcla
equimolecular de dos componentes A y B cuyo calor de mezcla puede considerarse despreciable. Se
estima que la columna, operando a la presión de 700 mmHg, con la mezcla indicada, tienen un poder
separador equivalente a 5 platos teóricos. El calderín que tiene acoplado la columna es capaz de
suministrar un flujo de calor de 360 kcal/kg de producto en colas, W, y puede admitirse equivalente a
un plato teórico. La cabeza está equipada con un condensador total mediante el cual se eliminará
solamente el calor necesario para condensar el vapor procedente de la columna.
Se desea saber la relación de reflujo, L/V, con que ha de operar la columna y la cantidad de
destilado, expresado en mol/h, que se obtendrá si el producto de colas ha de tener una composición,
xW, de 5,26 kg de A por cada 100 kg de B.

DATOS: MA = 60 g/mol; MB = 73,3 g/mol; calor específico de la alimentación: 0,8 cal/g·ºC;

Temperatura de entrada de alimentación: 62,5 ºC
 Datos de equilibrio del sistema en las condiciones de operación
x y h H x y h H
0,00 0,00 1150 250 0,50 0,78 70 225
0,05 0,18 109 247 0,60 0,84 65 220
0,10 0,31 104 245 0,70 0,89 60 215
0,15 0,41 98 242 0,80 0,94 55 210
0,20 0,49 94 240 0,90 0,96 52 205
0,30 0,62 84 235 1,00 1,00 50 200
0,40 0,72 75 230
x e y, fracciones en masa de componente M
T [= ] º C h y H [= ] kcal/kg

4.9.Una torre de rectificación de platos, que pueden considerarse ideales, se alimenta con la mezcla
formada por el líquido que abandona una cámara de flash, A, y el vapor procedente de otra cámara
de flash. Ambas cámaras se alimentan con una mezcla binaria, M+N (Peso molecular: 60 y 123,6
g/mol respectivamente).
La cámara A, opera a 84 ºC y produce 2500 VA
kg/h de líquido. La cámara B se alimenta
con una corriente de 3000 kg/h de
composición, 34 % en moles de componente FA A D
M, y opera a la temperatura de 94,5 ºC. xD
La torre de rectificación está equipada con
LA
un condensador total y un calderín (que se
F
comporta como un plato teórico), al cual se
VB
le comunican 65 kcal por cada kg de
producto de colas, W. La relación de reflujo
FB B
(L/V) con la que se ha de operar, debe ser
un 20 % superior a la mínima. La W
xW
composición del destilado que quiere
obtenerse es del 92 % en peso de M. LB

Calcular:
a) número de platos de la torre
b) cantidad de componente M que se obtiene por cabezas

Datos de equilibrio del sistema en las condiciones de operación

x y T h H x y T h H
0,00 0,00 120,0 42,0 110,0 0,60 0,82 76,0 32,0 116,0
0,05 0,20 100,0 38,0 110,5 0,70 0,87 74,0 34,0 117,0
0,10 0,33 94,5 34,0 11,0 0,82 0,93 72,0 38,0 118,2
0,20 0,51 88,0 31,0 112,0 0,90 0,96 71,0 40,5 119,0
0,30 0,61 84,0 30,0 113,0 0,95 0,98 70,5 43,0 119,5
0,40 0,70 80,5 30,5 114,0 1,00 1,00 70,0 46,0 120,0
0,53 0,78 77,0 31,0 115,0
x e y, fracciones en masa de componente M
T [= ] º C h y H [= ] kcal/kg
4.10. Una corriente de 2 kmol/min de una mezcla de acetonitrilo y tolueno, de fracción molar de acetonitrilo
xF = 0,25, se somete primeramente a una operación de flash en una cámara de destilación a 97,2°C.
La corriente líquida de salida a la temperatura de ebullición, se introduce como alimentación de una
columna de rectificación de platos que opera con una relación de reflujo L/V = 0,60 para obtener un
producto de cola de fracción molar de acetonitrilo xW = 0,02. La corriente V1 que sale de la cámara
flash se condensa totalmente en un condensador y, ya en forma líquida, se une con el destilado
procedente de la columna de rectificación para dar lugar a una corriente de producto P, cuya
composición, expresada en fracción molar de acetonitrilo es xP = 0,438. Calcúlese el número de
platos teóricos que ha de tener la columna de rectificación y en cual de ellos se debe de introducir la
alimentación correspondiente a la corriente L1.
V1

D
D xD
xD
F L1
F T = 97,2 ºC

W
xW

Admítase que el calderín de la columna de rectificación se comporta como un plato teórico y que
las corrientes L1 y V1 salen de la cámara de destilación en condiciones de equilibrio.
Datos de equilibrio en fracción molar acetonitrilo-tolueno 760 mmHg
T (ºC) x y T (ºC) x y
110,6 0,000 0,000 85,3 0,400 0,693
108,3 0,006 0,087 83,8 0,500 0,731
105,5 0,026 0,173 82,8 0,600 0,766
101,8 0,054 0,291 82,2 0,700 0,800
97,2 0,096 0,404 81,6 0,800 0,842
97,0 0,100 0,410 81,5 0,900 0,900
90,7 0,200 0,565 81,5 0,943 0,935
87,2 0,300 0,646 81,6 1,000 1,000

4.11. Una corriente de 3910 kg/h de una mezcla ternaria de composición 10 % en peso de metanol, 40 %
en peso de benceno y 50 % en peso de tolueno se somete primeramente a rectificación continua en
una columna A que tiene un elevado número de platos y que contiene como producto de cabezas la
mezcla azeotrópica metanol-benceno (cuya composición es 39,1 % en peso de metanol) mientras que
el líquido del calderín está exento de metanol. El líquido hirviente procedente de la columna A se
introduce como alimentación de una segunda columna B, que opera con una relación de reflujo L/V =
0,80 y cuyo objeto es obtener como producto de cabeza 950 kg/h de una mezcla que contiene 98 %
en peso de benceno. ¿Cuántos platos teóricos ha de tener la columna B en la sección de
agotamiento?
 Azeótropo
39,1 % metanol
950 kg/h
98 % benceno

F = 3910 kg/h
10 % metanol
40 % benceno
50 % tolueno

Datos de equilibrio benceno-tolueno 760 mmHg

x y x y x Y
0,00 0,000 0,26 0,456 0,70 0,853
0,02 0,046 0,30 0,508 0,74 0,879
0,06 0,132 0,34 0,556 0,78 0,901
0,10 0,209 0,42 0,640 0,82 0,922
0,14 0,280 0,50 0,714 0,86 0,941
0,18 0,344 0,58 0,777 0,94 0,977
0,22 0,404 0,66 0,831 1,00 1,000