El flujo de fluidos influye directamente en los equipos puesto que la forma del recipiente utilizado dependerá de las características físicas de las sustancias que se transportan o que se almacenan.
Supón que quieres almacenar una mezcla de gas LP (propano-butano). Para almacenarlo, generalmente a nivel industrial, se utilizan esferas. Primero se licua el gas, es decir se le aplica presión y se le disminuye la temperatura con la finalidad de tenerlo en estado líquido. Un recipiente que soporta está presiones de forma efectiva es esférico o cilíndrico, los cuales también soportan la presión sin deformarse. Los tubos (cilíndricos) son ideales para el transporte de fluidos con flujo turbulento y que puede transformar compuestos volátiles, mientras que los vertederos o los canales son formas optimas cuando se requieren que el transporte de fluidos se realice en forma de flujo laminar.
En este tema te enfocaras en el diseño de una torre de destilación que es un cilindro en el cual utilizaras una mezcla líquida de benceno y tolueno, contaminantes primarios que separaras para un mejor control de la atmósfera:
Una columna de fraccionamiento continuo ha de diseñarse para separar 30,000 lb/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno en un producto de domo que contiene 97% de benceno y en el fondo 98% de tolueno. Los porcentajes se expresan en porciento peso. Se requiere una relación de reflujo de 3.5 moles por mol de producto. Los calores latentes molares del benceno y del tolueno son 7360 y 7960 cal/mol-g respectivamente. El benceno y el tolueno forman un sistema ideal con una volatilidad relativa del orden de 2.5; la curva de equilibrio se elaborará a partir de las presiones parciales de los componentes. La alimentación tiene una temperatura de ebullición de 95ºC a la presión de 1 atmósfera.
Ahora bien, se debe:
a) Calcular los flujos molares de los productos del domo y del fondo por hora.
b) Determinar el número de platos ideales y las posiciones del plato de alimentación, si la alimentación es un líquido a 20ºC (calor específico = 0.44)
Si para la calefacción se utiliza vapor de agua a la presión manométrica de 20 lbf/pulg2 (calor cedido 522) ¿Qué cantidad de vapor se requiere por hora despreciando las perdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado?
Si el agua de refrigeración entra el condensador a 80ºF y sales a 150ºF, ¿Qué cantidad de agua será necesaria?
La forma de solucionar el problema anterior es la siguiente:
Se determinan las concentraciones molares de las corrientes de alimentación en el domo y en el fondo. Para ello, se necesitan los pesos fórmula de cada uno de los elementos de la mezcla.
Tabla 1. Pesos fórmula del benceno y tolueno
| Compuesto | Átomos de carbono | Átomos de hidrógeno | Peso fórmula |
| 12 uma | 1 uma | Total | |
| Benceno | 6x12=72 | 6X1=6 | 78 |
| Tolueno | 7x12=84 | 8x1=8 | 92 |
Tabla 2. Datos de concentraciones requeridos para la realización.
| Lugar | Benceno | Tolueno |
| Alimentación | 40% | 60% |
| Domo | 97% | 3% |
| Fondo | 2% | 98% |
El peso fórmula promedio de la mezcla de alimentación es:
Una vez determinadas las concentraciones molares en cada parte de la torre de destilación, se procede a realizar un balance de masa en cada parte de la torre de destilación.
El benceno en el domo es:
El benceno en el fondo se determina por diferencia como sigue:
El siguiente paso es determinar el número de platos para lograr la pureza deseada. Partiremos de las presiones de vapor para el benceno y el tolueno que se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 3. Presiones de vapor a diferentes temperaturas para el benceno y el tolueno.
| Temperatura ºC | Presión de vapor del benceno Kpa | Presión de vapor del tolueno Kpa |
| 80.1 | 101.32 | |
| 85 | 006.9 | 46 |
| 90 | 135.5 | 54 |
| 95 | 155.7 | 63.3 |
| 100 | 179.2 | 74.3 |
| 105 | 204.2 | 86 |
| 110.6 | 240 | 101.32 |
Se necesita determinar las concentraciones parciales del benceno y del tolueno. Supondrás que la presión de trabajo es 101.32 kpa.
Es la concentración de benceno en la fase líquida.
Es la concentración del benceno en la fase del vapor.
Los resultados se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 4. Fracciones molares de equilibrio benceno-tolueno.
| Temperatura | Presión de vapor de benceno | Presión de vapor del tolueno | X benceno | Y benceno |
| 80.1 | 101.32 | 1 | 1 | |
| 85 | 116.9 | 46 | 0.780254 | 0.900234 |
| 90 | 135.5 | 54 | 0.580613 | 0.776482 |
| 95 | 155.7 | 63.3 | 0.411472 | 0.632315 |
| 100 | 179.2 | 74.3 | 0.257579 | 0.455567 |
| 105 | 204.2 | 86 | 0.129611 | 0.261217 |
| 110.6 | 240 | 101.32 | 0 | 0 |
Para la obtención de la gráfica X de benceno vs. Y de benceno se realiza el siguiente análisis:
La ordenada al origen de la línea de operación se obtiene dividiendo la concentración en el domo entre el reflujo pedido más uno.
Este punto se une con las concentraciones el domo y se traza la línea.
La concentración de la alimentación es 0.44 para el eje X, así se traza una línea vertical hasta que se intercepte con la línea de alimentación. Después, se comienzan a trazar líneas horizontales y verticales para unir la línea a 45º con la curva concentración, esto te dará el número de platos que tendrá la torre.
Observa la gráfica.
Ilustración 1. Diagrama x-y concentración de benceno y número de platos que necesita la torre de destilación.
En la gráfica observas que se necesitan doce platos para lograr los requerimientos de pureza en el domo y en el fondo a partir de la alimentación.
Balance energético.
Calcularas el calor latente de la mezcla de alimentación.
El calor latente de vaporización se calculará de la siguiente forma:
Primero se determina el indicador q:
El flujo de vapor en la zona de rectificación es:
El agua de refrigeración será de:
Como lograste observar, en el diseño de una torre de destilación interviene el balance de masa y energía.
