Destilación Simple , Intermitente o Diferencial La boratorio
de Operaciones Unitarias II I/2008
Cochabamba, 14 de julio de 2010
Alumno:
Kider Gunter Tarifa Ojeda
Docente:
Ing. Nelson Hinojosa
Resumen La destilación simple es una operación unitaria muy utilizada para llevar a cabo separaciones parciales de mezclas con componentes volátiles. Esta operación muestra la importancia de explotar las diferentes propiedades de los componentes que forman una mezcla, ya que de manera sencilla se pueden separar sin tener que recurrir a métodos químicos o f´ısicos mas complicados. A lo largo de la práctica se determinaron los diagramas de equilibrio etanol - agua a diferentes presiones y se compararon con los valo-res experimentales. Asimismo se obtuvo la concentración promedio teórica y la experimental. A lo largo del reporte se precisa la metodolog´ıa seguida.
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´Índice 1. Objeti vos
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2. Introducción
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3. Marco Teórico
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4. Ejemplo Ex perime ntal : La D estilación del etanol
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5. Resultados
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6. Conclusiones
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7. Bibliografía
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Objeti vos Comprender y analizar los principios básicos de la destilacion simple intermite nte o diferencial , utilizando las ecuaciones y diagramas pertine ntes. Determinar en forma practica el comportamie nto de una mezcla etanolagua al ser sometida a este tipo de destilaci ´on.
2.
Introducci ón
La destilacion simple es una operaci´on en la cual se produce la vaporizaci ´on de un material por la aplicacion de calor; el m´etodo es empleado en la industria de capacidad moderada y pequen˜a, para llevar a cabo separaciones parciales de los componentes mas volatiles de mezclas de l´ıquidos miscibles. Normalme nte, la mezcla l´ıquida es cargada en lotes a un recipiente y some- tida a ebullicion. Los vapores que se desprenden se eliminan continuame nte, se condensan y se recolectan sin permitir que tenga lugar ninguna condensaci ´on parcial ni retorno al recipiente en donde se lleva a cabo el calentamie nto y ebu- llicion de la mezcla. La primera porcion del destilado ser´a la m´as rica en el componente m ´as volatil y conforme continu´a la destilaci ´on, el producto evaporado se va empo- breciendo. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obten i´endose as´ı una serie de productos destilados de dife- rente grado de pureza. El principio de la destilacion simple intermite nte, puede ilustrarse facilmente haciendo referencia a un diagrama de equilibrio l´ıquido - vapor, como el que se muestra en la figura 1. En ´este sistema, si una mezcla que contiene 25 % mol de alcohol et´ılico en agua se carga en el recipiente hervidor de un sistema de destilacion simple intermite nte y se calienta, la mezcla empezar´a a ebullir a una tem peratura de 82.5 ◦ C. A ´esta temperatura, la composici´on del vapor en equi- librio con el l´ıquido es de 55 % mol de alcohol et´ılico en agua. As´ı conforme la vaporizacion transcurre, se separan y condensan los vapores, y la cantidad del l´ıquido en el recipiente va dismi nuyendo progresi vame nte, al igual que el contenido del componente m´as vol´atil en el l ´ıquido y el vapor, y la temperatura de ebullicion del l´ıquido en el recipiente va aume ntando. El aparato utilizado para la destilaci ´on simple en el laboratorio es el alambique, como se muestra en la Figura 2.1. Consta de un recipiente donde se
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almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador donde se enfr ´ıan los vapores generados, llevandolos de nuevo al estado l´ıquido y un recipiente donde se almacena el l´ıquido concentrado.
Figura 2.1: Diagrama esquematico de un equipo de destilaci ´on simple.
Normalme nte en la industria esta operaci´on se realiza por lotes carg ´andose a un recipiente y somet i´endose a ebullici´on. Los vapores que se desprenden se eliminan continuame nte, se condensan y se recolectan. La primera porcion del destilado ser´a la m´as rica en el componente m ´as volatil y conforme continu´a la destilaci ´on, el producto evaporado se va empo- breciendo. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obten i´endose as´ı una serie de productos destilados de dife- rente grado de pureza. En el caso de la mezcla etanol-agua nos enco ntramos con una destilaci ´on azeotropica, ya que usando t´ecnicas normales de destilaci ´on, el etanol s ´olo pue- de ser purificado a aproximadam ente el 95 %. Una vez que se encue ntra en una conce ntracion de 95/5 % etanol-agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentraci ´on del vapor de la mezcla tambi´en es de 95/5 % etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas.
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Cuando se requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina, el aze´otro po 95/5 % debe romperse para lograr una mayor concentraci ´on. Algunos de los m´etodos para lograrlo son los siguientes:
Adicion de un material como agente de separaci ´on. Por ejemplo, la adi- cion de benceno a la mezcla cambia la interacci ´on molecular y elimina el azeotropo. La desventaja, es la necesidad de otra separaci ´on para retirar el benceno. La variacion de presion en la destilación. Se basa en el hecho de que un azeotropo depende de la presi´on y tambi´en que no es un rango de conce ntraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el aze´otro po se salta, la destilación puede continuar.
3.
Marco Teórico
El vapor que se desprende en una destilación diferencial verdadera, est´a en cualquier momento en equilibrio con el l´ıquido del cual se forma, pero cambia continuame nte de composicion. Por lo tanto, la aproximaci ´on matem ´atica debe ser diferencial. Si suponemos que en cualquier momento dura nte el desarrollo de la destilacion hay L moles de l´ıquido en el destilador, con una composici´on xa y que se evapora una cantidad V de moles en el destilador, de composici´on ya (en equilibrio con xa ), se tiene el siguiente balance de materia: Entrada − Salida + Generaci ´on = Acumulaci´on Como no hay entrada continua al sistema ni reacci´on en el mismo, los t ´ermi- nos de entrada y generación se elimina de modo que el balance global queda:
tt-t(0 - V ) ∂t = L|t-t - L|t
(3.1)
Aplicándose los teoremas de valor medio del c´alculo diferencial e integral se tiene:
(t − t − t)z (−V ) | = (t − t − t) ∂t
∂L (3.2) z
En donde z es un punto dentro del intervalo t + t.
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Dividiendo entre t cuando el l´ımite t − 0 y para cualquier t:
(3.3)
-V=∂L∂tz Por otro lado el balance para el componente A es el siguiente:
tt-t(0 - V yd) ∂t = Lx|t-t - Lx|t
(3.4)
De igual manera llegamos a la siguiente ecuaci ´on: (−V yd) = −
∂Lx ∂t
(3.5)
Sustitu yendo (3.3) en (3.5) y separando la integral
∂L yd = ∂t
L∂ (x) x∂ ∂t (L ) −
∂ Lx ∂t
se tiene:
(3.6)
∂ t Multiplicando por dt, y reagrupando t´erminos: (yd − x) ∂L
∂L
= ∂
= L∂x
x
(3.7)
L
yd − x (3.8)
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LoL∂LL= xLoxL∂xyd-x Integrando el lado izquierdo de la ecuaci´on (3.9):
lnLLo=xLoxL∂xyd-x
(3.10)
El lado derecho de la ecuaci´on puede ser integrado directam ente si y puede expresarse en t´erminos de x, como en el caso especial donde se pueda aplicar la ley de Raoult o la de Henry, o bien entre l´ımites de composici´on en donde existe una relacion casi lineal entre x y y.
Cuando ´as simple asientan valores de ´ımites xL
4.
se dispone de datos experime ntales piloto o de planta, el m´etodo m y general para evaluar esta integral es el gr´afico, en donde se 0
1 / ( y - x ) vs. x y se deter mina el area bajo la curva entre los l y xLo.
Ejemplo de
Pr ocedimie nto Ex perime ntal
La destilación del etanol Una práctica se realizo armando el equipo de destilación simple como se muestra muestra en la Figura 2.1. Se colocaron 200mL de una mezcla compuesta por50 % agua y 50 % alcohol en volumen. El alcohol utilizado ten´ıa una concentración del 94 % en volumen. Se comenz a cale ntar el equipo para lograr separar la mezcla por medio de una destilacion, es decir, aprovechando las diferencias entre el punto de ebullicion de los componentes. Al caer la primera gota, se registr o la temperatura y se midio el índice de refracción ta nto del residuo como del destilado, repitiendoesto cada grado celsio que aumentaba. Se midi´o la densidad, el volumen inicial y final, de la mezcla, del residuo y del destilad o.
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Resultados
Los resultados experime ntales se muestran en las Tablas 5.1 5.2. El % peso se obtuvo utilizando una correlaci ´on gr´afica proporcionada por el refractómetro de ABBE como se indica en la Tabla A.1 Tabla 5.1: Datos Experimentales.
Teb [◦ C] 83 84 85 86 87 88 89 89 yprom
Destilado ´Indice de % Peso Refraccion [ %] 1.3638 54.9864 1.3608 44.1210 1.3610 44.6430 1.3596 40.9894 1.3558 32.4347 1.3510 24.6053 1.3488 21.5900 1.3436 14.6675 1.3462 18.0882
fr mol [−] 0.2150 0.1725 0.1745 0.1603 0.1268 0.0962 0.0844 0.0573 0.0707
Residuo ´Indice de % Peso Refracci ´on [ %] 1.3348 2.2442 1.3346 1.9325 1.3346 1.9325 1.3340 0.9974 1.3338 0.6857 1.3336 0.3740 1.3330 0.0000 1.3330 0.0000
fr mol [−] 0.0088 0.0076 0.0076 0.0039 0.0027 0.0015 0.0000 0.0000
Tabla 5.2: Datos Experimentales.
Volumen:
Destilado
Residuo
18 mL
172 mL
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Densidad:
0.950
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mL
19.1◦ C
0.972
g/
mL
72.0
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◦
C
Las Figuras 5.1 - 5.4 muestran los resultados obtenidos. La presi´on de operación se calcula utilizando la ecuaci ´on de Antoine para la temperatu ra de la primera gota de destilado, como se muestra en el c´odigo del Ap´endice B.
Las Figuras 5.1 - 5.3 muestran la comparaci ´on del equilibrio ideal, real y experime ntal a una determinada presi´on, mientras que la Figura 5.4 compara los equilibrios real e ideal a presion atmos f´erica y la presi´on de operaci´on calculada.
Las Figuras 5.5 - 5.7 muestran la gr´afica pre-
1/(y-x)
vs. x para las diferentes
siones estudiadas. La Figura 5.8 muestra la gr´afica 1 / ( y - x ) vs. x para los valores experime ntales. E´ stas graficas fueron utilizadas para calcular la integral de la ecuación (3.10)
Figura 5.1: Diagrama Txy para etanol-agua a 760mmHg.
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Figura 5.2: Diagrama Txy para etanol-agua a 550mmHg.
Figura 5.3: Diagrama Txy para etanol-agua a 913mmHg.
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Figura 5.4: Diagrama Txy para etanol-agua a 760mmHg y 913mmHg.
Figura 5.5: Diagrama
1 y−x
vs. x a 760mmHg.
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Figura 5.6: Diagrama
1 y−x
vs. x a 550mmHg.
Figura 5.7: Diagrama
1 y−x
vs. x a 913mmHg.
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Figura 5.8: Diagrama
6.
1 y−x
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vs. x experimental.
Conclusiones
La destilación simple o intermitente es una operación unitaria muy utilizada para llevar a cabo separaciones parciales de mezclas con componentes vol ´atiles. Esta operación muestra la importancia de explotar las diferentes propiedades de los componentes que forman una mezcla, ya que de manera sencilla se pueden separar sin tener que recurrir a m´etodos qu´ımicos o f ´ısicos m´as complicados. La desventaja de este proceso es que no es efectivo como método de separación, especialmente en las mezclas cuyos compuestos tengan muy alejado el punto de ebullición. Las destilaciones que se realizan en el laboratorio sin reflujo , así como el calderin discontinuos para petróleos conocidos con el nombre de “TOPPING”, son ejemplos de este tipo de destilación. Al disminuir la presion de operaci´on la curva de equilibrio se desplaza hacia abajo y a la izquierda; de esta forma disminuye tambi´en la temperatura del aze otropo.
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7. Bibliografias –
Robert H . Perry, Do n W. Green, and James O. Maloney. Perry’s C H E M I C A L ENGINEERS’ HANDBOOK. McGraw-Hill, 7th edition, 1999.
–
OPERACIONES DE TRANFERENCIA DE MASA Robert E. Treybal Editorial McGraw Hill 3° Edición 1997
–
PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS Christie J. Geankoplis Editorial Continental S.A. 3° Edici
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