RECUPERACIO RECUPERACION N DE ETANOL ETANOL POR MEDIO MEDIO DE DESTILACIO DESTILACION N DIFERENCIA DIFERENCIALL A PARTIR PARTIR DE UNA MEZCLA ETANOL-AGUA A BAJA CONCENTRACION Didier Rodríguez
Departamento Departamento de Ingeniería Ingeniería Química, Química, Operaciones Operaciones de Transferen Transferencia cia de Masa II; Universidad Universidad de Pamplona, Pamplona, Colombi Colombia a septie septiembr mbre e de 2015. 2015.
RESUMEN En el presente informe se realiza un análisis del proceso de destilación destilación diferencial aplicado a una mezcla diluida de Etanol en en agua, para para lo cual se se utilizó utilizó una solución solución de de etanol al 20%. 20%. La efectividad efectividad del del proceso proceso fue analizada analizada de acuerdo a la cantidad y la concentración del etanol destilado. destilado. La concentración del destilado fue deducida a partir partir de su su densid densidad ad medida medida por por medio medio de un picnóm picnómetr etro. o. Previo Previo a la destil destilaci ación, ón, se midió midió la densid densidad ad del etanol a diferen diferentes tes concentrac concentraciones iones para obtener obtener una curva curva de densidad densidad de etanol etanol versus versus concentraci concentración. ón. La composición del destilado compuesto y de los fondos o residuo, fue determinada mediante las ecuaciones de Rayleigh.
Palabras: Palabras: destilación destilación diferencial diferencial,, ecuación ecuación de Rayleigh Rayleigh,, densidad, densidad, etanol. etanol. ABSTRACT In this this repor reportt an analy analysis sis of of differe differenti ntial al distil distillat lation ion proces processs applie applied d to a dilute diluted d mixtur mixture e of ethanol ethanol in wate water, r, to whic which h a sol solut utio ion n of eth ethan anol ol was was use used d to 20% 20%,, is perf perfor ormed med.. The effec effecti tive vene ness ss of the the proce process ss was anal analyz yzed ed accordi according ng to the the amou amount nt and concen concentrat tration ion of the the distil distilled led ethano ethanol. l. The conc concentr entrati ation on of the the disti distilla llate te was deduce deduced d from from the densit density y measur measured ed by a pycnom pycnometer eter.. Prior Prior to distil distillat lation ion,, the densit density y of etha ethano noll was measured measured at differe different nt concent concentrat ration ionss to obtain obtain a curve curve of densit density y versus versus ethano ethanoll concent concentrati ration. on. The compos compositi ition on of the compound and funds distillate or residue, was determined by the equations of Rayleigh. Keywords: Keywords: differenti differential al distillati distillation, on, Rayleigh Rayleigh equation, equation, density, density, ethanol. ethanol.
1. INTR INTROD ODUC UCC CIÓN IÓN La separa separació ción n y purif purifica icació ción n de líqui líquidos dos por por destilación constituye una de las principales técnicas técnicas para purificar purificar líquidos líquidos volátil volátiles es haciendo haciendo uso de la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias sustancias que constituyen una mezcla. Hay dos fases involucradas involucradas en el proceso, que son la vaporización (transformación del líquido en vapor) y la condensación (transformación del vapor en liquido); dichas etapas se logran suministrando calor a la mezcla, pero como es una mezcla de diferentes líquidos, el de menor punto de ebullición se vaporiza en primer lugar y luego se produce la
condensación de ese vapor al ponerlo en contacto con una superficie fría. La elección del tipo de destilación a realizar se hace de acuerdo con las propiedades del líquido que se pretenda purificar y de las impurezas que lo contaminan. Si durante un número infinito de vaporizaciones instantáneas sucesivas de un líquido, solo se evaporase instantáneamente una fracción infinitesimal del líquido cada vez, el resultado neto sería diferente a una destilación diferencial o sencilla.[1] Se Supone Supone que en cualquier cualquier momento momento durant durante e el desarrollo de la destilación destilación hay L moles de líquido en el destilador con una composición x fracción
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Mol de A y que se evapora una cantidad dD moles del destilado, de composición y* fracción mol en equilibrio con el líquido.[1] Balance de materia:
0− = − =
(1) (2)
Balance de Masa por componentes:
−(
− ( +
)= ( )=(
Tomando Vdy = 0 −( +
) (3) + ) (4)
2.2 Destilación Diferencial Se destiló una mezcla etanol agua al 20% de concentración. Para este proceso fue necesario armar un montaje como el de la figura 1, con un mechero bunsen, soporte con malla y pinza, dos soportes universales, un balón con desprendimiento lateral, un refrigerante con entrada y salida de agua, un matraz que sirvió como colector, y un termómetro. Figura 1. Montaje de destilación diferencial
(5)
)=
Al reemplazar (2) en (5)
+
=
(6)
Al reordenar:
= − = ( − )
(7)
Ecuación de Rayleigh =
=
( − )
De donde y se obtiene del equilibrio liquido vapor (x,y).
2. MATERIALES Y METODOS 2.1 Densidad contra Concentración Para el diseño de la curva de densidad contra concentración, se utilizó etanol al 70% y agua destilada suministrados por el laboratorio de química, una balanza analítica, un picnómetro de 5 ml y una probeta graduada a 100 ml.
3.
Procedimiento
3.1 Densidad contra Concentración El procedimiento para lograr una curva de relaciones entre la densidad y la concentración, se logró midiendo la densidad de diferentes diluciones de etanol en agua. Inicialmente se midió la densidad de la solución al 70%, seguido, tomando 30 ml de solución se aforó a 35 ml con agua destilada para obtener una solución al 60% de la cual se tomaron 5 ml para medir la densidad. La solución siguió diluyéndose hasta conseguir una solución al 20 %. El picnómetro utilizado fue el mismo y las mediciones fueron registradas en la tabla 1.
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Tabla No. 1- densidades de una solución etanol agua a diferentes concentraciones.
concentración % V/V
densidad g/ml
70% 60% 50% 40% 30% 20%
0,8641 0,8861 0,9025 0,9204 0,9263 0,9420
Para hallar la composición molar se extrae el volumen de componente puro y se divide en el total de las moles de la solución. Agua = 80 ml
80
∗
1
∗
1 18
= ,
Etanol = 20 ml 0,789 1 20 ∗ ∗ 46,07 = , Se tiene que la solución inicial tiene 4,4444 moles de agua y 0,3425 moles de etanol
3.2 Destilación Diferencial
En total 4,7869 moles en la solución. Se tomaron 100 ml de solución de etanol al 20 %, luego se vertieron en el balón con desprendimiento lateral y se adicionaron las perlas de ebullición. Se armó el montaje de destilación fraccionada y se comenzó la destilación. Se registró la primera gota recolectada a una temperatura de 76°C para un tiempo de 7 minutos 56 segundos. El proceso de destilación continúo a una temperatura de 84 °C por casi 30 minutos, obteniendo un volumen recuperado de 24,7 mililitros. Se midió la densidad del etanol recuperado, registrando 0,8518 g / ml.
4. Cálculos y Análisis de Resultados Se tomaron 100 ml de una solución compuesta en un 20% de etanol y un 80 % de agua en relación V/V. La destilación diferencial se realizó a presión atmosférica de 577.30233 mmhg y se logró recuperar 24,7 ml de destilado con una densidad de 0,7918 g / ml. Se necesita calcular la composición del destilado compuesto y del residuo o fondos. •
0,3425 4,7869
= 1 = 0,07155
( )= , ( ) = , La cantidad de líquido destilado, fue de 24,7 ml de etanol con una densidad de 0,8518 g / ml. Para conocer cuál es el porcentaje V/V correspondiente a esta densidad, es necesario establecer una ecuación que relacione estas dos cantidades, para lo cual se gráfica y se deduce la tendencia de la densidad. La línea de tendencia de densidad vs concentración se muestra en la figura 2. • •
Figura 2. Línea de tendencia de densidad vs concentración a temperatura ambiente
l m / g d a d i s n e D
L = 100 ml sln = 4,7869 moles de sln Concentracion V/V
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