destilacion diferencial

Destilación Simple, Intermitente

o Diferencial

Laboratorio 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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Universidad Mayor de San Simón Laboratorio de Operaciones Unitarias II, Semest re I / 2010

´Índice

1. Objetivos 3

2. Introducción 3

3. Marco Teórico 5

4. Ejemplo Experimental: La Destilación del etanol 7

5. Resultados 7

6. Conclusiones 12

7. Bibliografía 12

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1. Objetivos

Comprender y analizar los principios básicos de la destilacion simple intermitente o diferencial, utilizando las ecuaciones y diagramas pertinentes.

Determinar en forma practica el comportamiento de una mezcla etanol- agua al ser sometida a este tipo de destilación.

2. Introducción

La destilacion simple es una operación en la cual se produce la vaporización de un material por la aplicacion de calor; el método es empleado en la industria de capacidad moderada y pequenã, para llevar a cabo separaciones parciales de los componentes mas volatiles de mezclas de l´ıquidos miscibles.

Normalmente, la mezcla l´ıquida es cargada en lotes a un recipiente y sometida a ebullicion. Los vapores que se desprenden se eliminan continuamente, se condensan y se recolectan sin permitir que tenga lugar ninguna condensación parcial ni retorno al recipiente en donde se lleva a cabo el calentamiento y ebullicion de la mezcla.

La primera porcion del destilado será la más rica en el componente más volatil y conforme continuá la destilación, el producto evaporado se va empo- breciendo. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obteniéndose as´ı una serie de productos destilados de dife- rente grado de pureza.

El principio de la destilacion simple intermitente, puede ilustrarse facilmente haciendo referencia a un diagrama de equilibrio l´ıquido - vapor, como el que se muestra en la figura 1. En éste 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 intermitente y se calienta, la mezcla empezará a ebullir a una temperatura de 82.5 ◦ C. A ésta temperatura, la composición del vapor en equilibrio 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 disminuyendo progresivamente, al igual que el contenido del componente más volátil en el l´ıquido y el vapor, y la temperatura de ebullicion del l´ıquido en el recipiente va aumentando.

El aparato utilizado para la destilación simple en el laboratorio es el alam-

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bique, como se muestra en la Figura 2.1. Consta de un recipiente donde se 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 destilación simple.

Normalmente en la industria esta operación se realiza por lotes cargándose a un recipiente y sometiéndose a ebullición. Los vapores que se desprenden se eliminan continuamente, se condensan y se recolectan.

La primera porcion del destilado será la más rica en el componente más volatil y conforme continuá la destilación, el producto evaporado se va empo- breciendo. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obteniéndose as´ı una serie de productos destilados de dife- rente grado de pureza.

En el caso de la mezcla etanol-agua nos encontramos con una destilación azeotropica, ya que usando técnicas normales de destilación, el etanol sólo puede ser purificado a aproximadamente el 95 %. Una vez que se encuentra en una concentracion de 95/5 % etanol-agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5 % etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas.

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z ∂t


Cuando se requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina, el azeótropo 95/5 % debe romperse para lograr una mayor concentración. Algunos de los métodos para lograrlo son los siguientes:

Adicion de un material como agente de separación. Por ejemplo, la adicion de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeotropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno.

La variacion de presion en la destilación. Se basa en el hecho de que un azeotropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se salta, la destilación puede continuar.

3. Marco Teórico

El vapor que se desprende en una destilación diferencial verdadera, está en cualquier momento en equilibrio con el l´ıquido del cual se forma, pero cambia continuamente de composicion. Por lo tanto, la aproximación matemática debe ser diferencial.

Si suponemos que en cualquier momento durante el desarrollo de la destilacion hay L moles de l´ıquido en el destilador, con una composición xa y que se evapora una cantidad V de moles en el destilador, de composición ya

(en equilibrio con xa ), se tiene el siguiente balance de materia:

Entrada − Salida + Generación = Acumulación

Como no hay entrada continua al sistema ni reacción en el mismo, los térmi- nos de entrada y generación se elimina de modo que el balance global queda:

∫t

t−t

(0−V )∂ t=L∨t−t−L∨t (3.1)

Aplicándose los teoremas de valor medio del cálculo diferencial e integral se tiene:

(t − t − t) (−V ) | = (t − t − t) ∂L

z(3.2)

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∂t


En donde z es un punto dentro del intervalo t + t.

Dividiendo entre t cuando el l´ımite t − 0 y para cualquier t:

(−V )= ∂ L∂ t z

Por otro lado el balance para el componente A es el siguiente:

(3.3)

∫t

t−t

(0−V y d )∂ t=Lx∨t−t−Lx∨t (3.4)

De igual manera llegamos a la siguiente ecuaci´on:

(−V yd) = −∂Lx

(3.5)∂t

Sustituyendo (3.3) en (3.5) y separando la integral ∂ Lx se tiene:

∂L∂t

yd =L∂ (x)

∂tx∂ (L)−

∂t(3.6)

Multiplicando por dt, y reagrupando t´erminos:

(yd − x) ∂L = L∂x (3.7)

∂L

x= ∂

L yd − x

(3.8)

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0


∫Lo

L∂ LL

=∫xLo

xL

( ∂ xyd−x )

Integrando el lado izquierdo de la ecuación (3.9):

lnL

Lo=∫

xLo

xL

( ∂ xyd−x ) (3.10)

El lado derecho de la ecuación puede ser integrado directamente si y puede expresarse en términos 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 composición en donde existe una relacion casi lineal entre x y y.

Cuando se dispone de datos experimentales piloto o de planta, el método más simple y general para evaluar esta integral es el gráfico, en donde se asientan valores de 1 / ( y - x ) vs. x y se determina el area bajo la curva entre los l´ımites xL y xLo.

4. Ejemplo de Procedimiento Experimental

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 calentar el equipo para lograr separar la mezcla por medio deuna destilacion, es decir, aprovechando las diferencias entre el punto de ebullicion de los componentes. Al caer la primera gota, se registro la temperatura y se midio el índice de refracción tanto del residuo como del destilado, repitiendoesto cada grado celsio que aumentaba. Se midió la densidad, el volumen inicial y final, de la mezcla, del residuo y del destilado.

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5. Resultados

Los resultados experimentales se muestran en las Tablas 5.1 5.2. El % peso se obtuvo utilizando una correlación gráfica proporcionada por el refractómetro de ABBE como se indica en la Tabla A.1

Tabla 5.1: Datos Experimentales.

Destilado ResiduoTeb

Índice de % Peso fr mol Índice de % Peso fr molRefraccion Refracción

[◦ C] [ %] [−] [ %] [−]83 1.3638 54.9864 0.2150 1.3348 2.2442 0.008884 1.3608 44.1210 0.1725 1.3346 1.9325 0.007685 1.3610 44.6430 0.1745 1.3346 1.9325 0.007686 1.3596 40.9894 0.1603 1.3340 0.9974 0.003987 1.3558 32.4347 0.1268 1.3338 0.6857 0.002788 1.3510 24.6053 0.0962 1.3336 0.3740 0.001589 1.3488 21.5900 0.0844 1.3330 0.0000 0.000089 1.3436 14.6675 0.0573 1.3330 0.0000 0.0000

yprom 1.3462 18.0882 0.0707

Tabla 5.2: Datos Experimentales.

Destilado Residuo

Volumen: 18 mL 172 mL

Densidad: 0.950 g/ mL 19.1◦ C 0.972 g/

mL 72.0 ◦

C

Las Figuras 5.1 - 5.4 muestran los resultados obtenidos. La presiónde operación se calcula utilizando la ecuación de Antoine para la temperatura

de la primera gota de destilado, como se muestra en el código del Apéndice B.

Las Figuras 5.1 - 5.3 muestran la comparación del equilibrio ideal, real y experimental a una determinada presión, mientras que la Figura 5.4 compara los equilibrios real e ideal a presion atmosférica y la presión de operación calculada.

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Las Figuras 5.5 - 5.7 muestran la gr´afica 1 / ( y - x ) vs. x para las diferentes

pre-siones estudiadas. La Figura 5.8 muestra la gr´afica 1 / ( y - x )

vs. x para los

valores experimentales. 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 5.4: Diagrama Txy para etanol-agua a 760mmHg y 913mmHg.

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Figura 5.5: Diagrama 1 vs. x a 760mmHg.y−x


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Figura 5.8: Diagrama 1 vs. x experimental.y−x

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6. Conclusiones

La destilación simple o intermitente 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 qu´ımicos o f´ısicos más 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 operación la curva de equilibrio se desplaza hacia abajo y a la izquierda; de esta forma disminuye también la temperatura del azeotropo.

7. Bibliografias

- Robert H. Perry, Don W. Green, and James O. Maloney. Perry’s CHEMICAL ENGINEERS’ HANDBOOK. McGraw-Hill, 7th edition, 1999.

- OPERACIONES DE TRANFERENCIA DE MASA Robert E. TreybalEditorial McGraw Hill3° Edición 1997

- PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS Christie J. Geankoplis Editorial Continental S.A. 3° Edici

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