1. Destilación simple y fraccionada. Características y diferencias. diferencia s. Destilación.
La destilación es un proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasen a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar un mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles con lo cual se consigue un producto de mayor concentración en el líquido más volátil. Para poder realizar la separación de una mezcla en sus componentes por destilación, es necesario que los puntos de ebullición sean distintos; la facilidad y eficiencia de la separación depende de la magnitud de esta diferencia. Como regla general una mezcla de dos componentes para que puedan separarse por destilación simple es necesario que la diferencia entre sus puntos de ebullición sea de por lo menos 10°C.
La separación llega a ser posible debido a que en la fase de vapor existe mayor proporción del líquido más volátil (menor punto de ebullición) que del menos volátil. Cuando este vapor es condensado, se obtendrá nuevamente una mezcla pero será más rica en el componente de menor punto de ebullición. Destilación Fraccionada.
Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Se una para separar componentes líquidos que difieren menos de 25°C en el punto de ebullición. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha intercalado entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede rellenarse con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por ejemplo anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana, etc. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes platos, fenómeno al cual se denomina rectificación. Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores y los
líquidos. Ese intercambio de calor produce también un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. Con esto se logra un destilado de mejor calidad en relación a una concentración mayor en el componente de menor punto de ebullición.
2. Concepto de plato teórico y número de platos teóricos en una columna de destilación fraccionada.
El importante concepto de plato teórico, tomado de la teoría de destilación, se puede presentar en términos de una columna que contiene una serie de etapas físicamente separadas para la vaporización y la condensación. Un plato teórico se define como la longitud de columna necesaria para producir un cambio de la composición que corresponda a una sola etapa de destilación de un líquido de una cierta composición, produciendo un vapor condensado de diferente composición de acuerdo con el diagrama temperatura – composición. De forma más general, un plato teórico es aquella porción de un dispositivo múltiple que es capaz de conseguir el mismo grado de separación que una etapa simple de equilibración. Cuando no existen, como ocurre en la cromatografía, etapas de separación discretas físicamente, el concepto de plato teórico es un artificio matemático o intelectual y no se debe tomar como descripción de un proceso físico. El número de platos teóricos de una columna depende de su geometría, del tipo de arreglo del empacado y de la manera en que se opera la columna. Este número debe determinarse experimentalmente para un conjunto de condiciones de operación. Si los componentes individuales presentan puntos de ebullición que son muy diferentes, es suficiente una columna de destilación con pocos platos teóricos para separar la mezcla. Por otro lado, si los puntos de ebullición están muy próximos, se requiere una columna con un número mayor de platos. 3. Presión de vapor, punto de ebullición y su variación con la temperatura
Presión de vapor de un líquido es la presión gaseosa que ejercen las moléculas
vaporizadas (vapor) en equilibrio con el líquido. La presión de vapor solo depende
de la naturaleza del líquido y de su temperatura. A mayor temperatura mayor presión de vapor y viceversa. La presión de vapor de un líquido dado a temperatura constante será aproximadamente constante en el vacío, en el aire o en presencia de cualquiera otra mezcla de gases. Su variación con la temperatura.
La presión de vapor de un líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto crítico del líquido. Cuando se aumenta la temperatura es aumentada o mayor la porción de moléculas, estas toman la energía necesaria para hacer el cambio de líquido a vapor, y en consecuencia se precisa mayor presión para establecer un equilibrio entre el vapor y el líquido. Hay un ascenso lento a bajas temperaturas, y luego uno muy rápido como puede observarse como aumento de la pendiente de las curvas. Esta variación de la presión de vapor con la temperatura se expresa matemáticamente con la ecuación de Clausius-Clapeyron. 3. Diagramas de composición líquido – vapor.
5. Ley de Raoult.
La ley de Raoult permite la interpretación matemática del proceso de separación por destilación. Si bien es una herramienta sencilla y teórica, resulta de importancia relevante para explicar el proceso de fraccionamiento de los componentes volátiles de una mezcla. La volatilidad de una sustancia A puede definirse como la relación de fracciones molares ( x ) de la especie en el vapor y en el líquido:
( ) ( )
= (
)
Para dos componentes, la volatilidad relativa debe ser el cociente entre las volatilidades de ambos, es decir:
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
Aceptando Aceptando que la mezcla de A y B se comportan idealmente (la mezcla de los componentes es igual al de los componentes puros por separado), la presión total es la suma de presiones parciales:
Al aplicar la la ley de Raoult Raoult se tiene, tiene, ( )
Es decir, que la presión parcial del componente de la mezcla ( ( ) crece linealmente con su fracción molar multiplicada por la presión de vapor del disolvente puro ( ). En una mezcla de dos líquidos miscibles la fase de vapor, por lo tanto, será rica en el componente que tenga la mayor presión de vapor (el más volátil). 6. Mezcla Azeotrópica.
Las mezclas ideales o que se apartan muy poco del comportamiento ideal, pueden separarse en sus constituyentes por destilación fraccionada. Por otro lado, si las desviaciones respecto a la ley de Raoult son tan notorias que producen un máximo o un mínimo en la curva de presión de vapor, entonces aparece un máximo y un mínimo
correspondiente en la curva de la temperatura de ebullición. Estas mezclas no pueden separare completamente en sus constituyentes por destilación fraccionada. Puede demostrarse que si la curva de presión de vapor tiene un máximo y un mínimo, entonces, en ese punto, las curvas de vapor y líquido deben ser tangentes y el líquido y el vapor tendrán la misma composición (Teorema de Gibbs – Konovalov). La mezcla que tiene una presión de vapor máxima o mínima se denomina azeotrópica (del griego: “hervir sin cambio”).
Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado de vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente. Por tal motivo no es posible separarlos por destilación. 7. ¿Cómo debe circular el agua en el refrigerante?
Debe de circular contracorriente ya que el vapor se dispersa con mayor velocidad, ya que de forma contraria, el refrigerante igual que el vapor no la condensaría, es por eso que se pone a contracorriente para que exista una condensación completa. 8. ¿Dé la razón; porque ocurre el sobre calentamiento de los líquidos?
Al suministrar calor calor a un líquido, líquido, si no tiene tiene lugar ningún ningún cambio de estado, estado, la temperatura temperatura aumenta, disminuyendo la densidad y la tensión superficial. Además, aumentan las distancias intermoleculares y la energía cinética molecular media. Como consecuencia del aumento de las distancias intermoleculares, disminuye la atracción intermolecular y en virtud de la mayor energía cinética algunas moléculas se desprenden de la superficie del líquido, formando una atmósfera gaseosa sobre la superficie de aquél. La cantidad de líquido transformado en vapor, en la unidad de tiempo, es función de la temperatura y aumenta al aumentar ésta. Si se calienta un líquido en un recipiente abierto a una temperatura no muy elevada, como hemos visto, parte de las moléculas que provienen de la superficie del líquido, pasan al estado de vapor. Al difundirse el vapor en la atmósfera, disminuye la presión de vapor y como éste es un valor constante, a temperatura constante, el líquido continúa pasando al estado de vapor para restablecer el valor de la presión de vapor. 9. Objeto de la adición de cuerpos de ebullición al matraz de destilación.
La regulación de la ebullición, porque cuando un líquido hierve como el agua, este tiende a saltar por la cantidad de energía que se está proporcionando al mismo, y las piedras evitan que las burbujas de aire que se forman en el fondo del recipiente salga completas a la superficie y al llegar hasta arriba se rompan y salpiquen el agua, y también son para que los líquidos luego de calentarlos se evapore el menos denso. 10. Definir que es la cabeza, cuerpo y cola de la destilación.
Cabeza : se compone de alcohol, pero arrastran otros productos más volátiles que
pueda contener la sustancia a destilar como puede ser el alcohol etílico, alcohol
metílico, aldehídos y éteres. La cabeza del destilado será la que se obtenga antes de llegar a los 72°C. Cuerpo : contiene principalmente el alcohol etílico, aunque puede llevar otros productos. Es la parte más aprovechable de la destilación. Cola: contiene alcoholes de mayor peso molecular que el alcohol etílico, ácidos
orgánicos, furfurol y acroleínas (le dan mal olor y sabor al destilado) y glicerina arrastrada por el vapor de agua. Se obtiene si estando en 72°C se pasara a 70°C,69°C. 11. ¿En qué casos se usa refrigerante de agua y en cuales el de aire?
Se emplea agua como refrigerante en las destilaciones que sea a una presión atmosférica normal (1atm). Se emplea aire cuando en las destilaciones que sean mayores a una presión atmosférica normal Diagrama de flujo con toque ecológico.
Manejo de residuos.
R1. Colas de destilación. R2. Cabezas de destilación.
Hacer prueba de compatibilidad para enviar a incineración
Bibliografía.
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