LABORATORIO Nº 1
DESTILACIÓN DIFERENCIAL DIFERENCIAL I.
INTRODUCCION. Si durante un número infinito de evaporaciones instantáneas sucesivas de un líquido, solo se evapora una porción infinitesimal del líquido cada vez, el resultado neto sería equivalente a una destilación diferencial o sencilla. La destilación diferencial es un proceso por lotes en el cual la mezcla a ser destilada se carga en un recipiente fijo, esta esta se hierv hierve e lenta lentamen mente te y los vapo vapores res se desc descarg argan an en un conde condensa nsado dorr tan pronto como se forman, para ser almacenado en un colector, luego el producto es analizado para determinar las composiciones de los elementos de la mezcla. La primera porción de destilado será la más rica en la sustancia más volátil a medida que transcurre la destilación se o!tienen una serie de productos de diferente pureza. "ara la e#periencia que se realiza en el la!oratorio de operaciones unitarias se estudia el proceso de destilación diferencial, para así analizar la interrelación que e#iste entre las varia!les de temperatura, porcentaje vaporizado y composición del destilado, además de la comparación de los resultados que se desarrollan en los !alances de masas al utilizar la ecuación de $ayleigh. "ara poder realizar dicha e#periencia se carga en un !alón cierto volumen de una mezcla, mezcla, la cual se comienza comienza a calenta calentarr progres progresiva ivament mente. e. La mezcla mezcla empieza empieza a evaporarse lentamente, y se recogen ciertas cantidades de destilado gradualmente, registrándose para cada corte de destilado la temperatura del líquido y del vapor en equi equili! li!rio rio,, así así como como tam!i tam!i%n %n las las fracci fraccion ones es másica másicas s de cada cada compo componen nente te del del destilado.
II.
FUNDAMENTO TE TEORICO La dest destila ilaci ción ón es una una opera operaci ción ón unita unitaria ria que que consi consist ste e en la separ separaci ación ón de los componentes de una mezcla liquida &en la que todos los compuestos son más o menos volátiles' por evaporación y condensación sucesivas. La sepa separa raci ción ón se !asa !asa en la dife difere renc ncia ia de vola volati tili lida dade des s a!so a!solu luta tas s de los los comp compon onen ente tes, s, lo que que tien tiene e como como cons consec ecue uenc ncia ia la form formac ació ión n de un vapo vaporr de composición diferente a la del líquido del que procede. Lógic Lógicame ament nte, e, cuant cuanto o mayor mayor sea la difer diferenc encia ia de volat volatili ilida dades des mayor mayor será será la separación que se puede conseguir. "ara el cálculo de la composición del vapor que se desprende se supondrá que este se encuentra en equili!rio con la fase liquida presente en cada instante. La destilación simple, a!ierta o diferencial es una operación operación intermitente en la que la mezcla a destilar se carga en la caldera, donde se suministra el calor necesario para llevarla a su temperatura de !ur!uja. ( ) *+
n ese ese inst instan ante te comi comien enza za la e!ul e!ulli lici ción ón,, que que se mant mantie iene ne se va elim elimin inan ando do continuamente el vapor generado. ste vapor se condensa en el e#terior dando lugar al producto destilado. -onforme transcurre el proceso se va modificando la composición del liquido, ya que se elim elimin inan an pref prefer eren ente teme ment nte e los los comp compon onen ente tes s más más volá voláti tile les, s, con con lo cual cual va aume aument ntan ando do consi onsigu guie ient ntem emen ente te la temp temper erat atur ura a de !ur!u ur!uja ja de la mezc mezcla la.. Lógicamente, el vapor &siempre en equili!rio con el líquido en la caldera' tam!i%n cam!iara continuamente su composición, empo!reci%ndose en el componente más volátil. l calor de!e suministrarse en la caldera de modo que en todo instante el vapor generado este en equili!rio con el líquido en la caldera. e!e por tanto compensar las p%rdidas, el calor latente de vaporización y el calor sensi!le del líquido. Lógicamente, en este proceso tampoco podrá ha!er reflujo &el vapor se de!e eliminar instantáneamente y separarse del líquido'. stas condiciones pueden ser difíciles de conseguir en la práctica. l proceso se continúa hasta que se alcanza la separación deseada. La figura /0 ( muestra un esquema de este tipo de proceso. ste ste tipo tipo de desti destila lació ción n se usa usa frecu frecuent enteme ement nte e en tra!aj tra!ajos os de la!or la!orat atori orio o y en plantas piloto. l destilado puede recogerse en distintos recipientes, en función de su composición lo que se conoce como destilación fraccionada. 1am!i%n se utiliza con fines analíticos en característica de fracciones de petróleo o distintos productos &por ejemplo en algunas normas 2S13 para la determinación de intervalos de destilación'
FIGURA Nº 1 * ) *+
Las ecuaciones representativas del proceso se deducen a continuación4 Sea 5Lo6 la cantidad inicial de mezcla que se deposita en la caldera &en moles o en masa', de composición 5# i&o'6, en el componente 5i6 tomando como referencia &normalmente el más volátil'. n un instante determinado 576 quedara una determinada cantidad de liquido 5L6, de composición 5# i6. Sea 5d86 la cantidad diferencial de vapor que se genera en un intervalo de tiempo comprendido entre 57 y 79d76, en equili!rio con el liquido, con composición 5y i6. n ese intervalo de tiempo, 5d76, el líquido sufre una variación total 5dL6 y su composición tam!i%n variara en un 5d# i6. :n !alance de materia en este periodo de tiempo proporciona las siguientes ecuaciones. Si4
"ara
7; 7. -antidad total de vapor de composición 5y i6
0
-antidad total de liquido de composición 5# i6
L
-omposición de vapor
…
-omposición de líquido
x i
-omponente 5i6 en el vapor
…
-omponente 5i6 en el liquido
Lx i
7; 7 9 d7. -antidad total de vapor de composición 5y i6
dV
-antidad total de liquido de composición 5# i6
L-dL
-omposición de vapor
y i
-omposición de liquido
x i + dx i
-omponente 5i6 en el vapor
y i dV
-omponente 5i6 en el liquido
(L-dL) (x i -dx )i
Lógicamente la cantidad total y de componentes i que pasa a la fase en el tiempo 5d76 será igual a la variación e#perimental por la fase liquida, de este modo se puede escri!ir4 3ediante un !alance total4 < ) *+
dV
=
(L
−
dL)
L
−
= −
dL
(1)
$ealizando un !alance para el componente más volátil4
yi dV
=
( xi
−
dxi )( L
−
dL )
−
xi L
(2)
=perando y despreciando el producto de diferenciales4
dL L
dxi
=
yi
(3)
xi
−
>ntegrando la ultima ecuación entre las condiciones iníciales 5 L=Lo6, las condiciones finales4 5 L=Lf 6, 5 x i = x i (f)6, se puede escri!ir4 L1
∫
L f
dL L
= ln
Lo L f
=
xi( 0 )
∫
xi(
f )
5 x i = x i(o)6, y
dxi yi − xi
(4)
sta ecuación se conoce como ecuación de Lord $ayleigh. "ara resolver los pro!lemas relacionados con la destilación simple a!ierta diferencial es necesario o!tener las ecuaciones representativas del proceso glo!al, entre el tiempo inicial y el tiempo final. Si se denomina 56 a la cantidad total de vapor condensado desde el inicio del proceso hasta el final del mismo, y # i&' a su composición media, podremos plantear los siguientes !alances.
L0
L0 xi( 0)
−
−
D
=
Dxi( D)
L f =
L f xi( f )
(5)
(6)
2sí pues, las ecuaciones relacionan las cantidades y composiciones de todas las fases implicadas en el proceso en cualquier instante.
III.
OBJETIVOS A. OBJETIVO GENERAL l o!jetivo de la presente práctica es determinar la concentración del etanol en el destilado mediante la ecuación de $ayleigh.
B. OBJETIVO ESPECIFICO ? ) *+
IV.
eterminar la temperatura de !ur!uja y la temperatura de roció de una mezcla !inaria.
eterminar el vapor que se forma en el tiempo de destilación.
MATERIALES (Ver Anexo A)
V.
:n !alón de destilación :n condensador tipo lie!igh os pipetas graduadas de (+ ml 1res vasos de precipitación de (++ ml :na pro!eta graduada de @+ ml :na chaqueta de calefacción el%ctrica :na pipeta :n termómetro digital con termocuplas :n termómetro de mercurio &+)(++0-' tanol 2gua destilada :n soporte universal os pinzas alicate os mangueras de goma
PROCEDIMIENTO (Ver Anexo B Co!"# E$e%&ron"%#) 2rmar el equipo como se muestra4
FIGURA Nº '
n un !alón de destilación, provisto de un condensador tipo lie!igh y un termómetro o termocuplas, depositar (@+ ml de una solución de etanol)agua
al (@A en masa de etanol. "receder a calentar el !alón hasta e!ullición. n una pro!eta graduada reci!ir el destilado. -ada @ ml de destilado, tomar lectura deL tiempo B de la temperatura. @ ) *+
-uando llegue a acumularse en la pro!eta graduada @+ ml de destilado, detener el proceso de destilación
VI.
DATOS RESULTADOS "ara la mezcla !inaria calcular de manera teórica el punto de !ur!uja y el punto de roció y comparar con la parte e#perimental.
D#&o* 812/=L; <+ CmlD 8agua ; (E+ CmlD 1am!iente ; ** CF-D 3ezcla (@A de alcohol
"ara el A en peso4
"ara #4
D#&o +e$ !ro%e+","en&o* De&"$#+o ,$
T Re"+-o C
+
** G ) *+
T"e,!o Se
H (+ (@ *+ *@ <+ <@ ?+ ?@ @+
H@ HG HG HG.@ HE.@ HE.@ HH.@ HI HI.@ HI.I
*.?( <.*< @.** E.+@ I.+( (+.@H (*.@E (@ (E.E **.+*
P#r# $# ,e/%$# 0"n#r"# %#$%-$#r +e ,#ner# &er"%# e$ !-n&o +e 0-r0-2# e$ !-n&o +e ro%". Ter"%o* L# e%-#%"n +e An&o"ne*
L# %onn&e +e An&o"ne* 2
tanol
J
(H,I(*
2gua
-
(H,<+?
)?(,GH
)?G,(<
Re#$"/#n+o "&er#%"one3 $# &e,!er#&-r# +e 0-r0-2# er4* T 0-r0-2# HG
5
!6 +.+@*
7
@H(+.EG
5 A-# +.I?H
((.E
7 A-# *+?.GI
+.?(<@ Sumatoria
Re#$"/#n+o "&er#%"one3 $# &e,!er#&-r# +e ro%8o er4* E ) *+
+.G(
A-# +.
T ro%"o I+ y +.+@* y 2gua +.I?H
pv <*?*I*.+< 2gua ?*E.GH
K
#
G@@.(? B 2gua +.HG? Sumatori a
E.I
C#$%-$#r $# %#n&"+#+e +e +e&"$#+o +e ,#ner# ex!er",en$. L0
−
D
=
L f
C#$%-$#r $# %o,!o"%"one +e$ +e&"$#+o ,#ner# &er"%# ex!er",en$. Ter"%o* PARA L1*
H ) *+
PARA L'*
PARA D*
I ) *+
C#$%-$#r $# %o,!o"%"one +e$ +e&"$#+o +e$ re"+-o +e ,#ner# &er"%# %o,!#r#r %on $o o0&en"+o +e ,#ner# ex!er",en$.
$eemplazando los datos calculados en el anterior punto4
# +.+<+( +.+*GH +.+*@H +.+*@* +.+*<+ +.+**@ +.+**+ +.+(@E +.+(++
(+ ) *+
(M&y)#' H.E+II I.EG
2rea ; +.
Me+"#n&e -n r49"%o (T:x3 )3 +e ,#ner# &er"%# e;#$#r $o !-n&o +e 0-r0-2# +e ro%8o.
(( ) *+
DATOS OBTENIDOS EN FORMA E5PERIMENTAL CUADRO CON DATOS OBTENIDOS. MILILITROS
TEMPERATURA
+ H (+ (@ *+ *@ <+ <@ ?+ ?@ @+
** H@ HG HG HG,@ HE,@ HE,@ HH,@ HI,( HI,@ HI,I
(* ) *+
TIEMPO + *,?( <,*< @,** E,+@ I,+( (+,@H (*,@E (@ (E,E **,+*
VOLUMEN VS. TEMPERATURA MILILITROS
TEMPERATURA
+ H (+ (@ *+ *@ <+ <@ ?+ ?@ @+
** H@ HG HG HG,@ HE,@ HE,@ HH,@ HI,( HI,@ HI,I
INTERPRETACIÓN. urante el desarrollo de la presente practica de la!oratorio y mediante las anteriores ta!las ya mostradas se puede o!servar que la temperatura má#ima que alcanza es de HI,I0- y este se mantiene casi constante a lo largo del procedimiento, en donde el volumen en mililitros destilados de alcohol va aumentando teniendo un ?*A de concentración en @+ml.o!tenidos en destilación es decir que *(ml de alcohol y *Iml de agua. (< ) *+
TEMPERATURA VS. TIEMPO TIEMPO
TEMPERATURA
+ *,?( <,*< @,** E,+@ I,+( (+,@H (*,@E (@ (E,E **,+*
** H@ HG HG HG,@ HE,@ HE,@ HH,@ HI,( HI,@ HI,I
INTERPRETACION. e acuerdo a lo que las ta!las nos muestran podemos o!servar que al igual que la anterior ta!la la temperatura se mantiene constante a lo largo del procedimiento siendo el tiempo directamente proporcional con la temperatura.
(? ) *+
VOLUMEN VS. TIEMPO MILILITROS + H (+ (@ *+ *@ <+ <@ ?+ ?@ @+
TIEMPO + *,?( <,*< @,** E,+@ I,+( (+,@H (*,@E (@ (E,E **,+*
INTERPRETACIÓN. n el cuadro podemos o!servar el comportamiento que tiene el volumen de alcohol destilado va aumentando a lo largo del tiempo transcurrido en el procedimiento el cual podemos ver que es directamente proporcional al volumen o!tenido. (@ ) *+
VII. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES −
La ecuación de Lord $ayleigh varía apro#imadamente con un *(A de los datos de la!oratorio se o!tuvo mediante el grafico C(M&y i)#i' vs #iD.
−
Las temperaturas de !ur!uja y de rocío o!tenidas teóricamente no se pueden comparar con las e#perimentales. Ba que nos falta!an datos cuando hicimos el e#perimento. "or lo tanto el grafico de temperaturas de !ur!uja y roció es de los datos o!tenidos teóricamente.
−
Los datos de # N y en la!oratorio no pueden formar toda la curva porque la concentración inicial es del (@A de alcohol y con la destilación esta fue disminuyendo.
VIII. CUESTIONARIO 1.< =>-? +"9eren%"# @# en&re $# De&"$#%"n B#&%@ $# De&"$#%"n F$#@ De&"$#%"n !or Lo&e o B#&%@* n las destilaciones por lotes, llamadas tam!i%n !atch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de inter%s para que, durante la operación, uno o más compuestos se vayan separando de la mezcla original. :n ejemplo común corresponde a las destilaciones que ocurren en los la!oratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. l vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde al compuesto más volátil. n las separaciones por lotes no hay estado esta!le y la composición de la carga inicial cam!ia con el tiempo. sto trae consigo un incremento en la temperatura del recipiente y decremento en la cantidad de los componentes menos volátiles a medida que avanza la destilación. La destilación por lotes se utiliza en los siguientes casos4 a' -uando la capacidad requerida es tan pequeOa que no permite la operación continúa a una velocidad práctica. Las !om!as, !oiler, tu!erías y equipos de instrumentación generalmente tienen una capacidad mínima de operación industrial. !' Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. l equipo para operación por lotes generalmente tiene mayor fle#i!ilidad de operación que los que operan en forma continua. c' sta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto. d' La destilación intermitente se utiliza tam!i%n cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de sólidos. l uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso. (G ) *+
-olumna de destilación por lotes con rectificación
De&"$#%"n 9$#@* La destilación flash o destilación en equili!rio, es una t%cnica de separación de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es líquida, se alimenta a un intercam!iador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpía vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande &tam!or de separación' donde el líquido y el vapor se separan. -omo el vapor y el líquido están en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se apro#iman al equili!rio. Los procesos de separación flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinación de petróleo. 2unque se utilicen otros m%todos de separación, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos.
'.< Ex!$"%#r e$ !ro%e+","en&o !#r# +e&er,"n#r $# %o,!o"%"n +e +e&"$#+o en -n# +e&"$#%"n +"9eren%"#$ +e ,-$&"%o,!onen&e. l proceso es el siguiente4 Los siguientes parámetros representan el equili!rio líquido vapor4
(E ) *+
-oeficiente de distri!ución4
8olatilidad $elativa4
Se considera un componente de referencia para la volatilidad relativa en la columna. Se definen los componentes claves, livianos y pesados4 l número mínimo de etapas puede ser dado por la ecuación de PensKe &generalizada para n)componentes'.
$ecordar que la estimación de volatilidad de!e ser realizada usando el promedio geom%trico. La distri!ución de los otros componentes &no componentes claves' en las corrientes de tope y fondo, a reflujo toral puede ser estimado a partir de la ecuación anterior4
Los resultados anteriores, el número mínimo de etapa y las composiciones son usados como datos de diseOo de m%todo corto. l reflujo mínimo se puede estimar con las ecuaciones de :nderQood4
sto implica resolver para y, Las composiciones estimadas por la ecuación de PensKe son usadas como apro#imación. :n estimado del número de etapas como función del reflujo mínimo, reflujo de operación y número mínimo de etapas está dado por la correlación de r!ar y 3addo#. (H ) *+
La localización de la etapa de alimentación puede ser estimada conociendo la distri!ución de las etapas arri!a y a!ajo del plato de alimentación. sto puede ser estimado usando la relación de irK!ride
.< Ex!re#r $# e%-#%"n +e Lor+ R#$e"@ en 9-n%"n +e $# 6o$#&"$"+#+e re$#&"6#. La cuación de Lord $ayleigh4
Las volatilidades relativas del componente más volátil y el menos volátil4
2l cociente entre las volatilidades relativas del componente más volátil y el menos volátil se denomina volatilidad relativa 4
-omo4
$eemplazando el valor de en la ecuación $ayleigh
(I ) *+
.< Un# ,e/%$# +e 0en%eno<&o$-eno +e %o,!o"%"n . (9r#%%"n ,o$#r en 0en%eno) e o,e&e # +e&"$#%"n +"9eren%"#$ !#r# +#r -n 6#!or +e %o,!o"%"n $o0#$ .. C#$%$ee e$ !or%ene +e $# ,e/%$# "n"%"#$ &o,#n+o !#r# $# 6o$#&"$"+#+ re$#&"6# '.H. Siendo Lo;(++
1omando la ecuación4
onde4 y 2; y* ; +.?, entonces4
"or lo tanto de la ecuación tenemos que4 (;+.<'
n &(' tenemos4
I5.
BIBLIOGRAFIA >ng. Joris "arraga ) Ruía de la!oratorio /o < 5estilación iferencial6 https4MMes.scri!d.comMdocM*I@E?L2->=/)>P$/->2L *+ ) *+