“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA”

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

TRANSFERENCIA DE MASA I

PRACTICA N°5

“DESTILACIÓN DIFERENCIAL”

PROFESOR DE TEORIA : Ing. Arias Jara, Alfredo

PROFESORA DE PRACTICA : Ing. Arias Jara, Alfredo

ALUMNOS : CISNEROS NUÑEZ, Rober

VELARDES RODRIGUEZ, Jimmy

FECHA DE ENTREGA : JUEVES, 18 de septiembre de 2014

Ayacucho- Perú 2014

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

I. OBJETIVOS:

Determinar la separación por destilación diferencial de la mezcla de etanol - agua. Determinar el balance de materia y balance de energía.

II. FUNDAMENTO TERORICO:

DESTILACIÓN

La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL

En la destilación diferencial la mezcla se hace hervir y el vapor generado se separa del líquido, condensándolo tan rápidamente como se genera esto significa que las composiciones del líquido remanente y la de vapor formado cambiarán con el tiempo. Los aparatos usados para este fin reciben el nombre de alambiques. Puede llevarse a cabo a presión constante o temperatura constante, es una operación por lotes en la cual la mezcla que va a ser destilada es calentada hasta su temperatura de ebullición originando una masa diferencial de vapor rica en el componente más volátil.

La Destilación Diferencial es un método de destilación que se efectúa normalmente en los laboratorios cuando se trabaja sin reflujo, llevando continuamente los vapores producidos hasta un condensador.

La operación se realiza calentando la mezcla inicial hasta su temperatura de ebullición y los vapores

se eliminan de manera continua y a medida que éstos se van formando, sin condensación parcial, o sea, sin que el condensado refluya al aparato.

A medida que transcurre la operación, el líquido se empobrece con el componente más volátil, elevándose la temperatura de ebullición de la mezcla; del mismo modo los vapores producidos son cada vez más pobres en componentes más volátiles y su temperatura de condensación aumenta continuamente. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obteniéndose así   una serie de productos destilados de diferente grado de pureza

En esta destilación el vapor que sale en cualquier momento, está en equilibrio con el líquido, de manera que tanto la composición como el punto de ebullición de éste último varían continuamente durante la operación.

DESTILACION Y SUS CLASES:

La destilación es una técnica que se emplea para purificar líquidos que están mezclados con otros y que tienen diferentes presiones de vapor o que su temperatura de ebullición es diferente: Hay distintos tipos de destilación:

1. DESTILACION SIMPLE: 

Si una mezcla A de determinada composición (x), la calentamos, empieza a hervir y aparece vapor en equilibrio con esa disolución. Si a este vapor le bajamos la Tª obtenemos un líquido más rico en B que antes. Si seguimos calentando obtenemos equilibrios de diferente composición liquido-vapor, en los cuales el vapor se enriquece en el componente más volátil. En este caso (diagrama)  el componente B es el más volátil, con lo cual su presión de vapor es mayor. Obtenemos así en el componente más volátil un líquido más puro que el inicial. Los líquidos se enriquecen en el componente menos volátil y sin embargo los vapores enriquecen en los componentes más volátiles. Si metemos en un matraz una mezcla que queremos purificar, el cual lleva adosados un termómetro y un refrigerante por donde circula agua fría continuamente, podemos hacer que el vapor obtenido se enfrié y si se enfría lo obtendríamos posteriormente en forma de líquido.

2. DESTILACION FRACCIONADA:

Consiste en purificar un líquido. Se trata de hacer varios sistemas líquido vapor con el fin de partir de una mezcla impura para poder llegar a separar el componente B puro. Se realiza con una columna de fraccionamiento En cada plato hay un equilibrio L↔V; para cada mezcla se necesitaran más o menos platos para llegar a un componente casi puro. A medida que se sube en la columna la Tª baja. Hay que conocer las Tªs de los liquidos para saber el nº de platos que necesitamos. La eficacia en la separación depende del número de platos. La destilación fraccionada es un sistema con comportamiento real, nunca llegaremos al B puro, como mucho llegaremos al azeotropo.

3. POR ARRASTRE DE VAPOR:

Se utiliza para purificar liquidos orgánicos que tienen presiones de vapor muy bajas, por tanto las Tªs de ebullición muy altas y que son inmiscibles con el agua. No se utilizan métodos normales de destilación, tratando de evitar q el líquido se descomponga antes de purificarse. Para igualar la Pv del líquido orgánico a la P externa haría falta mucha Tª, en cambio, "al mezclar" con el vapor la presión total de vapor está más próxima a la externa, por lo que hervirá a un Tª menor de lo que lo haría el componente solo.

4. DESTILACION A VACIO:

Se denomina así porque se destila a una presión nula, muy bajas (hacer que la P externa sea muy baja). Si bajamos mucho la Tª de ebullición más baja. Conseguiremos destilar con muchos menos riesgos de descomposición que con destilaciones normales.

Dónde:

F Carga molar de mezcla líquida alimentada [kmol]W Descarga molar del líquido residual de fondo [kmol]DT Cantidad molar de destilado total recogido o acumulado [kmol]XF Fracción molar del componente más volátil presente en la alimentaciónXw Fracción molar del más volátil, en el líquido residualD xˆ Fracción molar promedio del más volátil en el destilado total recogidoTF Temperatura de alimentación [°C]TW Temperatura del líquido residual al fondo [°C]TV Temperatura media del vapor inyectado hacia el condensador [°C]TD Temperatura final del destilado total recogido [°C]QR Energía térmica neta total suministrada a través del hervidor [kcal]QC Energía térmica neta total retirada a través del condensador [kcal]P Presión de operación en el destilador diferencial [atm, mmHg]

III. EQUIPOS, REACTIVOS Y MATERIALES

EQUIPOS

o Balanza analíticao Balanza para medida con lastreo Destilador Diferencial, Simple o de Desacumulación del Laboratorio de Transferencia de

Masa de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga

REACTIVOS

o Etanol y Agua

MATERIALES

o Probeta de 1000 mLo Tubos de ensayo para muestras (con tapa)o Cronometroo Termómetroo Alcoholímetroo Gradilla

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Disponer para la práctica de unos 15 litros de la mezcla liquida de etanol agua, con una composición inicial aproximadamente de 10 a 15 ºGL de contenido alcohólico.

2. Medir la temperatura (TF), tomar dos muestras (por duplicado) en los frasquitos portamuestras (cerrar herméticamente), registrar el volumen exacto de la mezcla liquida a destilarse (o podría ser el peso) y cargar en el destilador (para determinar XF y F).

3. Registrar la hora de inicio (HRo) y encender el sistema del calentamiento eléctrico del destilador.Reportar la tensión eléctrica de servicio y la potencia del sistema resistivo. No olvide registrar al final de la destilación la hora final (HRF), para determinar el tiempo de funcionamiento del sistema resistivo: θD = (HRF-HRo)

4. Registrar la temperatura: (T1) calentar, (T2) tanque del destilador y (T3) zona de vapor del destilador cada 5 minutos; así como también el caudal (V vs t), temperatura de entrada (Te) y salida (Ts) del agua de refrigeración circulante por el condensador. Los registros se realizan hasta la finalización de la destilación.

5. AL OBSERVARSE LAS PRIMERAS GOTAS DEL DESTILADO, registrar la hora (HRD), recoger las muestras instantáneas de destilado y del líquido de fondo simultáneamente en los frasquitos portamuestras (para determinar las fracciones molares: yi, xi respectivamente) así como la temperatura de la cámara del destilador (Ti). Seguidamente recoger 500m L de destilado en una probeta.

6. Cambiar de probeta al mismo tiempo que se toma otras muestras (destilado y fondo) en los frasquitos portamuestras y el registro simultáneo de la hora y la temperatura en la cámara de destilación. Luego, registrar el destilado recogido (500mL) la temperatura (TDi) y de grado alcohólico (ºGLDi) 500m L de destilado recogido se encuentra entre los 20 a 25 ºGL.

7. Al finalizar la destilación desconectar el servicio eléctrico, cerrar el suministro de agua de refrigeración, registrar la hora final (HRF).

8. Tomar dos muestras del líquido residual del destilador al igual que del destilado total acumulado, así como las respectivas temperaturas y volúmenes finales (para determinar XD y TDf en el destilado total recogido, así como XW y TW en el líquido residual al final de la destilación)

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO Y CALCULOS CORRESPONDIENTES

TABLA Nº 01: Temperaturas en el destilador diferencial con respecto al tiempo:

T1 temperatura en el calentadorT2 temperatura en el tanque principalT3 temperatura del condensado

TABLA Nº 02: Temperaturas de entrada y salida del refrigerante con respecto al tiempo, así como el caudal.

NºTiempo(min.)

Temperatura de Entrada

(ºC)

Temperatura de Salida (ºC)

Q refrigerante

(m3/s)

1 0 17,8 17,8 4,3478x10-5

2 15 17,8 43,6 3,1250x10-5

3 30 17,8 42,0 3,2907x10-5

Datos y cálculos para la determinación de las densidades de las siguientes muestras: de la carga inicial de la mezcla (F), líquido residual al final de la destilación (W) y del destilado total recogido (DT).

W aire=6,6659 g

W aguadestilada=5,6620g

Y, el peso de cada una de las muestras, promediando valores para determinar las densidades respectivas:

MEDIDA WF (g) Ww (g) WDt (g)1 5,6782 5,6704 5,72772 5,6793 5,6699 5,7255

Nº Tiempo (min.) T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC)1 0 21,0 21,0 21,02 5 54,2 21,1 21,03 10 79,3 21,3 22,54 15 81,1 23,5 23,65 20 82,2 46,2 50,46 25 83,1 80,6 81,37 30 84,4 82,9 83,48 35 85,2 84,5 84,49 40 85,6 84,7 85,610 45 87,3 85,8 86,511 50 88,2 86,8 87,4

PROMEDIO 5,6788 5,6702 5,7266

o La ecuación para determinar la densidad de cualquier muestra liquida (i) es:

ρi=( W i−W aire

W agua destilada−W aire)

o Calculamos la densidad de las muestras:

ρW F=( 5,6788 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9833gmL

ρW w=( 5,6702 g−6,6659 g

5,6620 g−6,6659g )=0,9918gmL

ρW Dt=(5,7266 g−6,6659 g

5,6620g−6,6659 g )=0,9357gmL

Determinamos el %P de cada una de las muestras: mediante la tabla de densidad del etanol agua. (Anexo 07 – C-5). Interpolación:

W i=%peso

100

MuestrasDensidad

(g/mL)%P

ω(%P/100)

F 0,9833 10,2214 0,1022W 0,9918 4,5964 0,0460Dt 0,9357 40,5561 0,4056

1) BALANCE DE MATERIA:

Calculamos la fracción molar de cada una de las muestras:

x=

W i

M A

W i

M A

+(1−W i)MB

Para ello los valores de los pesos moleculares son:

o M A=46,07Kg /Kmol

o MB=18,02Kg /Kmol

xF=

0,102246,07Kg /Kmol

0,102246,07Kg /Kmol

+(1−0,1022)

18,02Kg /Kmol

=0,0426

xW=

0,046046,07Kg /Kmol

0,046046,07Kg /Kmol

+(1−0,0460)

18,02Kg /Kmol

=0,0185

xDt=

0,405646,07Kg /Kmol

0,405646,07Kg /Kmol

+(1−0,4056)

18,02Kg /Kmol

=0,2106

o Determinamos el valor de la alimentación F:

Dato:

o V F=17,5 L

o ρF=0,9833Kg /L

o xF=0,0426

o M A=46,07Kg /Kmol

o MB=18,02Kg /Kmol

Por lo tanto:

mF=ρF∗V F

mF=0,9833KgL

∗17,5 L

mF=17,2078Kg

MF=xF∗M A+ (1−xF )∗M B

MF=0,0426∗46,07KgKmol

+(1−0,0426 )∗18,02KgKmol

MF=19,2149KgKmol

F=mFMF

F= 17,2078Kg19,2149Kg /Kmol

F=0,8955Kmol

o Determinamos el valor de la alimentación W:

Dato:

o VW=14,0L

o ρW=0,9918Kg /L

o xW=0,0185

o M A=46,07Kg /Kmol

o MB=18,02Kg /Kmol

Por lo tanto:

mW= ρW∗V W

mW=0,9918KgL

∗14,0 L

mW=13,8852Kg

MW=xW∗M A+(1−xW )∗MB

MW=0,0185∗46,07KgKmol

+(1−0,0185 )∗18,02KgKmol

MW=18,5389KgKmol

W=mWMW

W= 13,8852Kg18,5389Kg /Kmol

W=0,7490Kmol

o Determinamos el valor de la alimentación Dt:

Dato:

o V Dt=3,5 L

o ρDt=0,9357Kg /L

o xDt=0,2106

o M A=46,07Kg /Kmol

o MB=18,02Kg /Kmol

Por lo tanto:

mDt=ρDt∗V Dt

mDt=0,9357KgL

∗3,5 L

mDt=3,2750Kg

MDt=xDt∗M A+(1−xDt )∗MB

MDt=0,2106∗46,07KgKmol

+(1−0,2106 )∗18,02KgKmol

MDt=23,9273KgKmol

D=mDtMDt

D= 3,2750Kg23,9273Kg /Kmol

D=0,1369Kmol

2) BALANCE DE ENERGÍA:

o Determinando el calor neto total suministrado a través del hervidor para alcanzar el estado final de la destilación, basado en los cálculos de las entalpias de mezcla:

QR=DT . HV+W .HW−F . HF…….(α )

Pero:

o T F=21,5℃

o T O=21,5℃

CALCULO DE HF:

H F=[ XF∗CpA∗M A+( 1−X F )∗CpB∗MB ] (T F−T O )+∆H sol

Como TF y T0 son iguales:

H F=0,00Kcal /Kmol

CALCULO DE HW:

Como:

XW=0,0185

TW=88,7℃

(Del diagrama de Temperatura – Composición del sistema Etanol – Agua a 548 mmHg)

HW=[XW∗CpA∗M A+(1−XW )∗CpB∗MB ] (TW−T O )+∆H sol

Pero:

T mW=(TW+TO )

2

T mW=88,7℃+21,5℃

2=55,10℃≈328,25K

o Se determina el Cp para cada componente de la mezcla: (Anexo Nº 12)

Para el etanol:

Dato:

o A=100,922

o B=−0,1118386

o C=0,000499

C pC 2 H5OH=A+BT+CT 2

C pC2 H 5OH=100,922+ (−0,1118386 )∗328,25K+0,000499¿ (328,25K )2

C pC2 H 5OH=117,9773

JmoL∗K

=0,6120KcalKg∗K

Para el agua:

Dato:

o A=103,08

o B=−0,1748

o C=0,0002748

C pH 2O=A+BT+C T2

C pH 2O=103,08+(−0,1748 )∗328,25K+0,0002748∗(328,25K )2

C pH 2O=75,3111J

moL∗K=0,9991

KcalKg∗K

Reemplazando:

HW=[0,0185∗0,6120KcalKg . K

∗46,07KgKmol

+ (1−0,0185 )∗0,9991KcalKg . K

∗18,02KgKmol ]∗(88,7−21,5 )K

HW=1222,5237KcalKmol

CALCULO DE HV:

Como:

X Dt=0,2106

T V=85,4℃

(Del diagrama de Temperatura – Composición del sistema Etanol – Agua a 548 mmHg)

HV=X̂ D .M A [CpA (T V−TO )+ λA ]+(1− X̂D )MB [CpB (T V−T O )+λB ]

Pero:

T mV=(T V+T O )

2

T mV=85,4℃+21,5℃

2=53,45℃≈326,6K

o Se determina el Cp para cada componente de la mezcla: (Anexo Nº 12)

Para el etanol:

Dato:

o A=100,922

o B=−0,1118386

o C=0,000499

C pC 2 H5OH=A+BT+CT 2

C pC2 H 5OH=100,922+ (−0,1118386 )∗326,6K+0,000499 ¿ (326,6K )2

C pC2 H 5OH=117,6226

JmoL∗K

=0,6102KcalKg∗K

Para el agua:

Dato:

o A=103,08

o B=−0,1748

o C=0,0002748

C pH 2O=A+BT+C T2

C pH 2O=103,08+(−0,1748 )∗326,6K+0,0002748∗(326,6K )2

C pH 2O=75,3026J

moL∗K=0,9990

KcalKg∗K

o Se determina los valores de λ para cada componente de la mezcla: Para el etanol

Dato:

o T C=515,8K

o T b=351,5K

o λb=38,744KJmol

o T=T V=85,4℃≈358,55K

λC2H 5OH=λb [ Tc−TTc−Tb ]

0 ,38

λC2H 5OH=38,744

KJmol [ 515,8K−358,55K

515,8K−351,5K ]0,38

λC2H 5OH=38,1037

KJmol

=216,5243KcalKmol

Dato:

o T C=647,3K

o T b=373,15K

o λb=40,669KJmol

o T=T V=85,4℃≈358,55K

λH 2O= λb[ Tc−TTc−Tb ]

0 ,38

λH 2O=40,669

KJmol [647,3K−358,55K

647,3K−373,15K ]0,38

λH 2O=41,4788

KJmol

=550,2710KcalKmol

Reemplazando:

HV=0,2106∗46,07KgKmol [0,6102

KcalKg. K

∗(85,4−21,5 )K+216,5243KcalKmol ]+(1−0,2106 )∗18,02

KgKmol [0,9990

KcalKg . K

∗(85,4−21,5 )K+550,2710KcalKmol ]

HV=11214,7705KcalKmol

Finalmente reemplazamos valores en (α)

QR=W HW+DT H V−F H F

QR=0,7490Kmol∗1222,5237KcalKmol

+0,1369Kmol∗11214,7705KcalKmol

−0,000

QR=2450,9723Kcal

Calculo del calor neto retirado en el condensador:

Qc=DT (HV−H D)

Dónde:

Qc Calor neto total retirado por el condensador (Kcal)DT Destilado total recogido durante la destilación (Kmol)H Entalpia molar especifico de los respectivos materiales (Kcal/Kmol)

Entonces:

CALCULO DE HD:

Como:

X Dt=0,2106

T D=19,0℃

(Del diagrama de Temperatura – Composición del sistema Etanol – Agua a 548 mmHg)

Pero:

T mD=(T D+T O )

2

T mD=19,0℃+21,5℃

2=20,25℃≈293,4K

H D=[ XD∗CpA∗M A+(1−X D )∗CpB∗MB ] (T D−TO )+∆ H sol

o Se determina el Cp para cada componente de la mezcla: (Anexo Nº 12)

Para el etanol:

Dato:

o A=100,922

o B=−0,1118386

o C=0,000499

C pC 2 H5OH=A+BT+CT 2

C pC2 H 5OH=100,922+ (−0,1118386 )∗293,4 K+0,000499 ¿ (293,4K )2

C pC2 H 5OH=111,0643

JmoL∗K

=0,5762KcalKg∗K

Para el agua:

Dato:

o A=103,08

o B=−0,1748

o C=0,0002748

C pH 2O=A+BT+C T2

C pH 2O=103,08+(−0,1748 )∗293,4K+0,0002748∗(293,4 K )2

C pH 2O=75,4494J

moL∗K=1,0001

KcalKg∗K

Se determina los valores del Cp para cada componente de la mezcla:

Reemplazando:

H D=[0,2106∗0,5762KcalKg .K

∗46,07KgKmol

+(1−0,2106 )∗1,0001KcalKg .K

∗18,02KgKmol ]∗(19,0−21,5 )K

H D=−49,5422KcalKmol

Ahora:

QC=DT (HV−HD)

Qc=0,1369Kmol(11214,7705KcalKmol

−(−49,5422 ) KcalKmol )

Qc=1542,0844Kcal

PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN DE VOLÁTIL:

%rec=[DT∗X̂DF∗X F ]∗100

%rec=[ 0,1369Kmol∗0,21060,8955Kmol∗0,0426 ]∗100

%rec=75,5765

DATOS OBTENIDOS DE LAS MASAS DE LAS MUESTRAS DE x E y, y EL ºGL OBTENIDOS:

Nº WX (g) Wy (g) ºGL

1 5,6791 5,7845 ---2 5,6790 5,7510 64%

3 5,6771 5,7408 56%4 5,6740 5,7314 53%5 5,6712 5,7230 49%6 5,6707 5,7135 41%7 5,6700 5,7020 37%8 5,6665 5,6929 31%

o De igual forma calculamos la densidad de las muestras:

PARA LAS MUESTRAS DE “X:

ρi=( W i−W aire

W agua destilada−W aire)

ρX 1=( 5,6791 g−6,6659 g

5,6620 g−6,6659g )=0,9830gmL

ρX 2=( 5,6790 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9831gmL

ρX 3=( 5,6771 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9850gmL

ρX 4=(5,6740 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9881gmL

ρX 5=( 5,6712 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9908gmL

ρX 6=(5,6707 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9913gmL

ρX 7=( 5,6700 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9920gmL

ρX 8=( 5,6665 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9955gmL

PARA LAS MUESTRAS DE “Y":

ρY 1=(5,7845 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,8780gmL

ρY 2=(5,7510 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9114gmL

ρY 3=(5,7408 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9215gmL

ρY 4=( 5,7314 g−6,6659 g

5,6620g−6,6659 g )=0,9309gmL

ρY 5=(5,7230 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9392gmL

ρY 6=(5,7135 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9487gmL

ρY 7=(5,7020 g−6,6659g

5,6620 g−6,6659g )=0,9602gmL

ρY 8=( 56929 (g )−6,6659(g)

5,6620 (g )−6,6659(g))=0,9692gmL

Determinamos el %P de cada una de las muestras: mediante la tabla de densidad del etanol agua.

“X” Densidad (g/m L) %P %P/100

x1 0,983 104,357 0,1044

x2 0,9831 103,643 0,1036

x3 0,985 90,347 0,0904

x4 0,9881 69,477 0,0695

x5 0,9908 52,089 0,0521

x6 0,9913 48,976 0,049

x7 0,992 44,759 0,0448

x8 0,9955 24,438 0,0244

Calculamos la fracción molar de cada una de las muestras, tanto para “X” e “Y”:

x=

W i

M A

W i

M A

+(1−W i)MB

Para ello los valores de los pesos moleculares son:

o M A=46,07Kg /Kmol

o MB=18,02Kg /Kmol

PARA LAS MUESTRAS DE “X":

x1=

0,1044 g

46,07gmol

( 0,1044 g

46,07gmol

+(1−0,1044 )g

18,02gmol )

=0,0436

“Y” Densidad (g/m L) %P %P/100

y1 0,878 662,911 0,6629

y2 0,9114 518,089 0,5181

y3 0,9215 472,477 0,4725

y4 0,9309 428,667 0,4287

y5 0,9392 388,3 0,3883

y6 0,9487 338,729 0,3387

y7 0,9602 271,083 0,2711

y8 0,9692 208,593 0,2086

x2=

0,1036 g

46,07gmol

( 0,1036 g

46,07gmol

+(1−0,1036 ) g

18,02gmol )

=0,0433

x3=

0,0904 g

46,07gmol

( 0,0904 g

46,07gmol

+(1−0,0904 )g

18,02gmol )

=0,0375

x4=

0,0695 g

46,07gmol

( 0,0695 g

46,07gmol

+(1−0,0695 )g

18,02gmol )

=0,0284

x5=

0,0521g

46,07gmol

( 0,0521g

46,07gmol

+(1−0,0521 )g

18,02gmol )

=0,0211

x6=

0,0490 g

46,07gmol

( 0,0490g

46,07gmol

+(1−0,0490 ) g

18,02gmol )

=0,0198

x7=

0,0448 g

46,07gmol

( 0,0448g

46,07gmol

+(1−0,0448 ) g

18,02gmol )

=0,0180

x8=

0,0244 g

46,07gmol

( 0,0244 g

46,07gmol

+(1−0,0244 )g

18,02gmol )

=0,0097

PARA LAS MUESTRAS DE “Y":

y1=

0,6629 g

46,07gmol

( 0,6629g

46,07gmol

+(1−0,6629 ) g

18,02gmol )

=0,4350

y2=

0,5181 g

46,07gmol

( 0,5181g

46,07gmol

+(1−0,5181 )g

18,02gmol )

=0,2962

y3=

0,4725 g

46,07gmol

( 0,4725 g

46,07gmol

+(1−0,4725 )g

18,02gmol )

=0,2596

y4=

0,4287 g

46,07gmol

( 0,4287 g

46,07gmol

+(1−0,4287 )g

18,02gmol )

=0,2271

y5=

0,3883 g

46,07gmol

( 0,3883 g

46,07gmol

+(1−0,3883 )g

18,02gmol )

=0,1990

y6=

0,3387 g

46,07gmol

( 0,3387 g

46,07gmol

+(1−0,3387 )g

18,02gmol )

=0,1670

y7=

0,2711 g

46,07gmol

( 0,2711 g

46,07gmol

+(1−0,2711 )g

18,02gmol )

=0,1270

y8=

0,2086 g

46,07gmol

( 0,2086 g

46,07gmol

+(1−0,2086 )g

18,02gmol )

=0,0935

V. CUESTIONARIO:

1) Preparar los diagramas de composición y temperatura para el sistema etanol – agua a la presión local con algún modelo termodinámica de ELV y comparar con los datos de las composiciones obtenidas en las muestras instantáneas de destilado y fondo asi como el de la temperatura de la cámara durante el experimento.

Se utiliza el Modelo de Margules, a presiona local (548 mmHg):

Se muestras las ecuaciones a seguir:

Reemplazando los datos se determinan los parámetros concatenados del modelo NRTL

A12=1,6266

A21=0,7917

Luego se determinan los coeficientes de actividad para cada componente en la fase liquida, usando los valores de x1, x2 y los correspondientes parámetros de NRTL:

ln γ1=X22 [ A12+2 ( A21−A12) X1 ]

ln γ2=X12 [ A21+2 ( A12−A21) X2 ]

Usando las constantes de Antoine para el etanol y el agua se determinan las presiones de vapor saturado a cada temperatura:

Constantes de AntoineT sat (ºc)

SISTEMA A B CETANOL (1) 7,3382 1652,05 231,48 70,2910AGUA (2) 7,07406 1657,459 227,02 91,0873

Y se dan los cálculos respectivos con las siguientes ecuaciones:

T ¿=91.0873−(91.0873−70.2910 ) X1

Pisat=10

(A i− BiC i+T

¿ )

f (T ¿)=X1 γ 1P1sat+X2 γ2P2

sat−P

f ´ (T ¿)=X1 γ1 P1sat ( 2.30259B1

(T ¿+C1)2 )+X2 γ2 P2sat ( 2.30259B2

(T ¿+C2 )2 )T=T ¿−

f (T ¿)f ´ (T ¿)

Y i=X i γ iPi

sat

P

Obteniéndose los cálculos correspondientes y los diagramas respectivos

X1 X2 Ln(ɣ1) Ln(ɣ2) ɣ1 ɣ2 T* Psat(1) Psat(2) f(T*) f´(T*) T Y1 Y2

0.00 1.00 1.6266 0.0000 5.0866 1.0000 91.0873 1235.1835 548.0009 0.0009 20.6678 91.0873 0.0000 1.00000.05 0.95 1.3927 0.0059 4.0255 1.0060 90.0475 1188.9630 526.8584 194.81 27.9199 83.0701 0.4367 0.91880.10 0.90 1.1823 0.0229 3.2618 1.0232 89.0077 1144.1888 506.4004 291.56 31.6423 79.7936 0.6811 0.85100.15 0.85 0.9943 0.0497 2.7027 1.0510 87.9679 1100.8257 486.6096 333.00 33.3575 77.9852 0.8144 0.79330.20 0.80 0.8273 0.0851 2.2871 1.0888 86.9281 1058.8387 467.4688 343.53 33.9395 76.8062 0.8838 0.74310.25 0.75 0.6801 0.1278 1.9742 1.1363 85.8882 1018.1937 448.9611 337.13 33.8922 75.9412 0.9170 0.69820.30 0.70 0.5516 0.1765 1.7360 1.1930 84.8484 978.8570 431.0700 321.76 33.5050 75.2450 0.9303 0.65690.35 0.65 0.4403 0.2299 1.5532 1.2585 83.8086 940.79548 413.7793 301.92 32.9420 74.6433 0.9333 0.61770.40 0.60 0.3451 0.2870 1.4122 1.3324 82.7688 903.97663 397.0730 280.06 32.2931 74.0964 0.9318 0.57930.45 0.55 0.2647 0.3463 1.3031 1.4138 81.7290 868.36851 380.9355 257.42 31.6046 73.5839 0.9292 0.54050.50 0.50 0.1979 0.4067 1.2189 1.5018 80.6892 833.93972 365.3513 234.57 30.8968 73.0971 0.9274 0.50060.55 0.45 0.1434 0.4668 1.1542 1.5949 79.6493 800.65942 350.3055 211.68 30.1758 72.6344 0.9275 0.45880.60 0.40 0.1000 0.5255 1.1051 1.6912 78.6095 768.49731 335.7831 188.73 29.4400 72.1990 0.9299 0.41450.65 0.35 0.0663 0.5814 1.0685 1.7886 77.5697 737.42367 321.7698 165.61 28.6850 71.7963 0.9346 0.36760.70 0.30 0.0412 0.6334 1.0421 1.8840 76.5299 707.40930 308.2513 142.24 27.9066 71.4330 0.9416 0.31790.75 0.25 0.0234 0.6801 1.0237 1.9742 75.4901 678.42556 295.2136 118.56 27.1029 71.1156 0.9505 0.26590.80 0.20 0.0116 0.7204 1.0117 2.0553 74.4502 650.44432 282.6430 94.626 26.2755 70.8489 0.9607 0.21200.85 0.15 0.0047 0.7530 1.0047 2.1233 73.4104 623.43802 270.5263 70.560 25.4298 70.6357 0.9715 0.15720.90 0.10 0.0012 0.7765 1.0012 2.1739 72.3706 597.37961 258.8501 46.579 24.5753 70.4752 0.9823 0.10270.95 0.05 0.0001 0.7899 1.0001 2.2031 71.3308 572.24256 247.6018 22.960 23.7245 70.3630 0.9921 0.04981.00 0.00 0.0000 0.7917 1.0000 2.2071 70.2910 548.00087 236.7687 0.0009 22.8911 70.2909 1.0000 0.0000

Y los diagramas siguientes:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

X

Y

2) Determinar teóricamente la cantidad de destilado y residuo líquido con las ecuaciones de balance de materia y la ecuación de Rayleigh para los datos experimentales y comparar con los valores experimentales. Usar para el cálculo teórico los datos de la alimentación y su respectiva composición (F, XF, TF), así como la composición media del destilado acumulado experimentalmente (XD). Analizar y discutir los resultados.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

X

Y

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 170

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

92

T

X, Y

Para determinar la Integración Numérica de Rayleigh, se debe tener ciertos datos necesarios para realizar este sistema:

F=0,8957Kmol

xF=0,0426

xDt=0,2106

Llevando a cabo los datos respectivos y los pasos correspondientes, se determina la Integración Numérica de Rayleigh en hoja de cálculo de Excel.

INTEGRACIÓN NUMÉRICA DE RAYLEIGH:

X Y f ΔX fm a П W DT XD

XF 0,0426 0,31 3,73972 --- --- --- --- --- ---

0,04 0,27 4,34783 0,0026 4,043771 0,010514 --- --- ---

0,035 0,23 5,12821 0,005 4,738016 0,023690 --- --- ---

0,03 0,19 6,25000 0,005 5,689103 0,028446 0,062649 0,841307 0,054393 0,237485

0,025 0,16 7,40741 0,005 6,828704 0,034144 0,096793 0,813066 0,082634 0,215773

XW 0,0239 0,1511 0,805325 0,090375 0,2106interpolación

0,02 0,12 10,00000 0,005 8,703704 0,043519 0,140311 0,778442 0,117258 0,192634

0,015 0,09 13,33333 0,005 11,666667 0,058333 0,198645 0,734332 0,161368 0,168198

0,01 0,03 50,00000 0,005 31,666667 0,158333 0,356978 0,626800 0,268900 0,118590

0,005 0,01 200,00000 0,005 125,000000 0,625000 0,981978 0,335502 0,560198 0,065119

BALANCE DE MATERIA:

Por lo cual el balance de materia seria con los respectivos valores:

F 0,8957 KmolXD 0,2106W 0,8053 KmolXW 0,0239XF 0,0426DT 0,0904 Kmol

Porcentaje de recuperación de volátil:

%rec=[DT∗X̂DF∗X F ]∗100

%rec=[ 0,0904Kmol∗0,21060,8957Kmol∗0,0426 ]∗100

%rec=49,90

COMPOSICION GLOBAL RAYLEIGH % ERRORW 0,7491 0,8053 6,9788DT 0,1369 0,0904 51,4381XW 0,0185 0,0239 22,5941

3) Determinar la energía calórica teórica para la destilación diferencial y la experimental entregada por el sistema de calentamiento eléctrico; determinar la eficiencia térmica del destilador.

ENERGIA CALÓRICA TEÓRICA:

QR (teórico )=2450,5159Kcal

ENERGÍA VALÓRICA EXPERIMENTAL:

POTENCIA=3∗1,2KW=3,6KW=3600W

Por tanto:ENERGÍA=POTENCIA∗TIEMPO operación

ENERGÍA=3600W∗56minutos=12096000W .s=2893,0878Kcal

EFICIENCIA TERMICA DEL DESTILADOR:

n=QteóricoQ experimental

=2450,5159Kcal2893,0878Kcal

=0,8470

4) Determinar y comparar la energía calórica teórica y experimental retirada en el condensador – subenfriador.

ENERGIA CALÓRICA TEÓRICA:

Qc (teórico )=1541,7512Kcal

ENERGÍA VALÓRICA EXPERIMENTAL:

Qc=ρH 2O∗QH 2O∗θ∗Cp∗(T S−T E )…….(1)

Se determina las variables correspondientes:

T ml=(T S+T E )

2=42.0+17.8

2=29,90 ºC≡303,05K

C pH 2O=A+BT+C T2

C pH 2O=103,08+(−0,1748 )∗303.05+0,0002748∗(303,05 )2

C pH 2O=75,3443

JmoL. K

=0,9996KcalKg . K

Reemplazamos en (1)

Qc=0,995667KgL

∗0,0359Ls∗3360 s∗0,9996

KcalKg . ºC

∗( 42,0−17,8 )ºC

Qc=2905,2898Kcal

EFICIENCIA TERMICA DEL DESTILADOR:

n=QteóricoQ experimental

=1541,7512Kcal2905,2898Kcal

=0,5307

5) Presentar la gráfica de los perfiles de temperatura registrados en los diversos puntos del destilador en función del tiempo (ti vs T1i, T2i, T3i). analizar y discutir dichas conductas.

T1 T2 T3

(ºC) (ºC) (ºC)0 21 21 215 54.2 21.1 21

10 79.3 21.3 22.515 81.1 23.5 23.620 82.2 46.2 50.425 83.1 80.6 81.330 84.4 82.9 83.435 85.2 84.5 84.440 85.6 84.7 85.645 87.3 85.8 86.550 88.2 86.8 87.4

Tiempo (min.)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t (min) v.s T1

t (min) v.s T2

t (min) v.s T3T1,

T2,

T3

Tiempo (min)

VI. CONCLUSIONES:

Se pudo estudiar la separación por destilación diferencial de la mezcla etanol – agua y así obtuvimos el porcentaje de recuperación del etanol en el equipo.

Con el método de Rayleigh se pudo comprobar el porcentaje de recuperación. Se logró determinar el balance de materia y energía en la práctica.

VII. BIBLIOGRAFÍA:

https://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r63481.PDF

http://web.mac.com/fjguerra/Personal/8o_Semestre_files/DS.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Destilaci%C3%B3n

http://www.buenastareas.com/ensayos/Destilacion-Diferencal/1565619.html

Ing. ARIAS JARA, Alfredo “Fundamentos y Aplicaciones de Transferencia de Masa”, Primera edición 2011

Pags: 244 – 252, 389, 392, 416 – 417, 442 – 443, 461, 463