DESTILACION DIFERENCIAL
DESTILACION DIFERENCIAL 1. Objetivo.El objetivo de la presente práctica es verificar la ecuación de Rayleigh, así como también determinar la temperatura de burbuja y la temperatura de roció de una mezcla binaria, también se pretende que el alumno llegue a dominar los cálculos necesarios para la resolución del problema de destilación simple, abierta o diferencial. 2. Fundamento Teórico.La destilación es una operación unitaria que consiste en la separación de los componentes de una mezcla liquida (en la que todos los compuestos son más o menos volátiles) por evaporación y condensación sucesivas. La separación se basa en la diferencia de volatilidades absolutas de los componentes, lo que tiene como consecuencia la formación de un vapor de composición diferente a la del líquido del que procede. Lógicamente, cuando mayor sea la diferencia de volatilidades mayor será la separación que se puede conseguir. Para el cálculo de la composición del vapor que se desprende se supondrá que este se encuentra en equilibrio con la fase liquida presente en cada instante. La destilación simple, abierta o diferencial es una 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 burbuja. En ese instante comienza la ebullición, que se mantiene se va eliminando continuamente el vapor generado. Este vapor se condensa en el exterior dando lugar al producto destilado. Conforme transcurre el proceso se va modificando la composición del liquido, ya que se eliminan preferentemente los componentes más volátiles, con lo cual va aumentando consiguientemente la temperatura de burbuja de la mezcla. Lógicamente, el vapor (siempre en equilibrio con el líquido en la caldera) también cambiara continuamente su composición, empobreciéndose en el componente más volátil. El calor debe suministrarse en la caldera de modo que en todo instante el vapor generado este en equilibrio con el líquido en la caldera.
Debe por tanto compensar las pérdidas, el calor latente de vaporización y el calor sensible del líquido. Lógicamente, en este proceso tampoco podrá haber reflujo (el vapor se debe eliminar instantáneamente y separarse del líquido). Estas condiciones pueden ser difíciles de conseguir en la práctica. El proceso se continúa hasta que se alcanza la separación deseada. La figura Nº 1 muestra un esquema de este tipo de proceso. Este tipo de destilación se usa frecuentemente en trabajos de laboratorio y en plantas piloto. El destilado puede recogerse en distintos recipientes, en función de su composición lo que se conoce como destilación fraccionada. También se utiliza con fines analíticos en característica de fracciones de petróleo o distintos productos (por ejemplo en algunas normas ASTM para la determinación de intervalos de destilación)
Las ecuaciones representativas del proceso se deducen a continuación: Sea “L0” la cantidad inicial de mezcla que se deposita en la caldera (en moles o en masa), de composición “xi(o)”, en el componente “i” tomando como referencia (normalmente el más volátil). En un instante determinado “θ” quedara una determinada cantidad de liquido “L”, de composición “xi”. Sea “dV” la cantidad diferencial de vapor que se genera en un intervalo de tiempo comprendido entre “θ y θ+dθ”, en equilibrio con el liquido, con composición “yi”. En ese intervalo de tiempo, “dθ”, el líquido sufre una variación total “dL” y su composición también variara en un “dxi”. Un balance de materia en este periodo de tiempo proporciona las siguientes ecuaciones. Si: θ= θ. Cantidad total de vapor de composición “yi”
0
Cantidad total de liquido de composición “xi”
L
Composición de vapor
…
Composición de líquido
xi
Componente “i” en el vapor
…
Componente “i” en el liquido
Lxi
Para θ= θ + dθ
Cantidad total de vapor de composición “yi”
dV
Cantidad total de liquido de composición “xi”
L-dL
Composición de vapor
yi
Composición de liquido
xi + dxi
Componente “i” en el vapor
yidV
Componente “i” en el liquido
(L-dL) (xi -dxi)
Lógicamente la cantidad total y de componentes i que pasa a la fase en el tiempo “dθ” será igual a la variación experimental por la fase liquida, de este modo se puede escribir: Mediante un balance total: (
)
Realizando un balance para el componente “i”: (
)(
)
Operando y despreciando el producto de diferenciales:
Integrando la última ecuación entre las condiciones iníciales: “L=Lo”, “xi = xi(o)”, y las condiciones finales: “L=Lf”, “xi = xi (f)”, se puede escribir: ( )
∫
∫ ( )
Esta ecuación se conoce como ecuación de Lord Rayleigh. Para resolver los problemas relacionados con la destilación simple abierta diferencial es necesario obtener las ecuaciones representativas del proceso global, entre el tiempo inicial y el tiempo final. Si se denomina “D” a la cantidad total de vapor condensado desde el inicio del proceso hasta el final del mismo, y xi(D) a su composición media, podremos plantear los siguientes balances:
( )
( )
()
Así pues, las ecuaciones relacionan las cantidades y composiciones de todas las fases implicadas en el proceso en cualquier instante. 3. Material y Reactivos.-
Un balón de destilación Un condensador tipo Liebigh Dos pipetas graduadas de 10 ml Tres vasos de precipitación de 100 ml Una probeta graduada de 50 ml Una chaqueta de calefacción eléctrica Una pizeta Un termómetro digital con termocuplas Un termómetro de mercurio (0-100ºC) Un refractómetro de Abbe Una bolsa de algodón (cada grupo deberá traer) Etanol Acetona Benceno Agua destilada Un soporte universal Dos pinzas alicate Dos mangueras de goma
4. Procedimiento.Armar el equipo como se muestra:
En un balón de destilación, provisto de un condensador tipo Liebigh y un termómetro o termocuplas, depositar 200ml de una solución de acetona-agua al 15% en masa de acetona. Preceder a calentar el balón hasta ebullición. En una probeta graduada recibir el destilado. Cada 5 ml de destilado, tomar lectura de índice de refracción y al mismo tiempo de la temperatura. Cuando llegue a acumularse en la probeta graduada 50 ml de destilado, detener el proceso de destilación.
5. Cálculos, Graficas y Resultados.Datos:
VALCOHOL= 34.2 [ml] Vagua = 165.8 [ml] Tambiente = 19 [°C] IRinicial = 1.3413
Mezcla 14.16% de alcohol
Para el % en peso: (
)
(
) (
)
(
)
Para x:
(
(
(
(
)
)
I destilado I residuo T destilado T residuo V 1.3634 1.34 61 66 1.3625 1.3385 62 69 1.3622 1.337 63 71 1.362 1.3362 64 73 1.3612 1.3351 65 77 1.361 1.3343 66 78
2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
1.3608 1.3575 1.3526
1.3342 1.334 1.3335
68 70 72
82 85 88
2.5 2.5 2.5
Con las curvas de la primera práctica se obtienen las composiciones molares:
I destilado I residuo % destilado % residuo x ac destilado y ac residuo 1.3634 1.34 64.28 13.98 0.0301 0.0028 1.3625 1.3385 61.49 11.57 0.0268 0.0023 1.3622 1.337 60.59 9.22 0.0258 0.0017 1.362 1.3362 60 7.99 0.0252 0.0015 1.3612 1.3351 57.69 6.31 0.0230 0.0012 1.361 1.3343 57.13 5.11 0.0225 0.0009 1.3608 1.3342 56.57 4.96 0.0220 0.0009 1.3575 1.334 48.03 4.66 0.0157 0.0008 1.3526 1.3335 37.01 3.92 0.0100 0.0007
Para la mezcla binaria calcular de manera teórica el punto de burbuja y el punto de roció y comparar con la parte experimental. Teórico La ecuación de Antoine:
Las constantes de Antoine:
Alcohol
A B C Tmin [°C] Tmax [°C] 7.1327 1219.97 230.653 -64 70
7.6313 1566.69 273.419 Promedio 7.382 1393.33 252.036 8.10765 1750.286 235 Agua 7.96681 1668.21 228 Promedio 8.03723 1709.248 231.5
57 -3.5 0 60 30
205 137.5 60 150 105
Realizando iteraciones, la temperatura de burbuja será: T burbuja 90 Pv* X K 2034.06336 0.052 3.36681936 Pv*Agua X Agua K Agua 525.715759 0.948 0.87017447
Y 0.17507461 Y Agua 0.82492539
P ∑Y 105.771295 1 P Agua P total 498.378539 604.149834
Realizando iteraciones, la temperatura de rocío será:
T rocio 92.64513 Pv* X K Y P ∑Y 2185.879 0.014 3.619 0.052 31.408 1.000 Pv*Agua X Agua K Agua Y Agua P Agua P total 580.945 0.986 0.962 0.948 572.592 604
EXPERIMENTAL: En el destilado: T 61 62 63 64 65 66 68 70 72
XAlcohol 0.0301 0.0268 0.0258 0.0252 0.0230 0.0225 0.0220 0.0157 0.0100
PT
PvAlcohol 853.0577 881.3573 910.4071 940.2214 970.8147 1002.2016 1067.4156 1135.9832 1208.0267
PpAlcohol 25.6711 23.6135 23.5093 23.7031 22.2984 22.5098 23.4453 17.8171 12.1149
KAlcohol Kagua
Xagua 0.9699 0.9732 0.9742 0.9748 0.9770 0.9775 0.9780 0.9843 0.9900
Pvagua 156.1878 163.5148 171.1323 179.0494 187.2756 195.8207 213.9070 233.3901 254.3553
YAlcohol Yagua
Ppagua 151.4876 159.1339 166.7131 174.5355 182.9741 191.4225 209.2086 229.7295 251.8045
∑
177.1587 182.7474 190.2224 198.2386 205.2726 213.9323 232.6540 247.5467 263.9194
4.8152 4.8228 4.7860 4.7429 4.7294 4.6847 4.5880 4.5890 4.5773
0.8816 0.8948 0.8996 0.9032 0.9123 0.9153 0.9194 0.9428 0.9638
Promedio:
0.1449 0.1292 0.1236 0.1196 0.1086 0.1052 0.1008 0.0720 0.0459
0.8551 0.8708 0.8764 0.8804 0.8914 0.8948 0.8992 0.9280 0.9541
1 1 1 1 1 1 1 1 1
T 65.67
Para el residuo: T 66 69 71 73 77 78 82 85 88
YAlcohol PvAlcohol PpAlcohol Yagua 1002.2016 0.0028 0.5924 1101.2726 0.0023 0.4772 1171.5628 0.0017 0.3706 1245.3907 0.0015 0.3169 1404.1638 0.0012 0.2459 1446.2669 0.0009 0.1967 1624.8111 0.0009 0.1906 1769.8287 0.0008 0.1785 1924.8835 0.0007 0.1490
Pt 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000 212.0000
KAlcohol 4.7274 5.1947 5.5262 5.8745 6.6234 6.8220 7.6642 8.3482 9.0796
Kagua 0.9237 1.0541 1.1494 1.2520 1.4804 1.5427 1.8145 2.0437 2.2969
0.9972 0.9977 0.9983 0.9985 0.9988 0.9991 0.9991 0.9992 0.9993
XAlcohol 0.0006 0.0004 0.0003 0.0003 0.0002 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001
Pvagua Ppagua 195.8207 211.4076 223.4687 211.5228 243.6820 211.6294 265.4215 211.6831 313.8469 211.7541 327.0539 211.8033 384.6655 211.8094 433.2738 211.8215 486.9350 211.8510
Xagua 1.0796 0.9465 0.8685 0.7975 0.6747 0.6476 0.5506 0.4889 0.4351
1.08018906 0.94697679 0.86878196 0.79779002 0.67488023 0.64774587 0.55074998 0.48898691 0.43514775
Promedio:
T Rocío 76.56
PARA L1: [
(
*
+) (
]
) *
(
[
+) (
*
+) (
( *
)
+
])
[ ]
[ ] *
+
*
*
+
+
[ ]
[ [
]
]
PARA L2: [
(
(
)
*
+) (
]
)
( * *
+
+) (
)
(
[
+) (
*
])
[ ]
[ ] *
+
* *
+
[ ]
[ [
+
]
]
PARA D:
[
] [
[
[
]
[
]
]
] [
]
Calcular las composiciones del destilado y del residuo de manera teórica y comparar con los obtenidos de manera experimental. ∫
∫
Reemplazando los datos calculados en el anterior punto: [ [
] ]
∫
∫ x 1/(y-x) 0.0301 8.7099 0.0268 9.7636 0.0258 10.2285
0.0252 0.0230 0.0225 0.0220 0.0157 0.0100
10.5979 11.6741 12.0833 12.6889 17.7650 27.8745
1/(y-x) 30.0000
25.0000
20.0000
1/(y-x)
15.0000
Poly. (1/(y-x)) 10.0000
5.0000
0.0000 0.0000
0.0100
0.0200
0.0300
0.0400
Mediante un gráfico (T–x, y), de manera teórica señalar los puntos de burbuja y de rocío. T Burbuj a 88,6 85,5 82,79
Pv*
Pv*Agua
X
1120,49 67 997,430 28 899,278
495,959 71 439,851 64 395,248
0 0, 1 0,
K
K Agua
Y
Y Agua
P
P Agua
∑Y
1,816
1,0019 39 0,7997 3 0,6387
0
0,8
1,001 9 0,888 6 0,798
0
0,9
2,263 6 2,015
495,95 97 395,86 65 316,19
1,001 94 1,001 23 1,002
X Agu a 1
0,201 5 0,363
99,74 3 179,8
54 816,334 82 747,875 07 690,937 28 639,762 25 596,708 43 558,437 52 526,664 75 496,427 7
66 357,669 58 326,738 94 301,079 18 278,071 47 258,758 62 241,627 33 227,432 43 213,948 45
2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0, 9 1
T Rocío
Pv*
Pv*Agua
Y
88,5
1116,33 86 1055,49 09 993,656 19 934,870 69 872,572 12 806,788 29 745,500 74 685,393 84 621,728 75 558,437 52 492,229 99
494,060 87 466,298 42 438,134 09 411,406 78 383,137 01 353,351 52 325,667 7 298,584 31 269,977 06 241,627 33 212,078 51
0
80,3 78,08 76,1 74,2 72,5 70,9 69,5 68,1
87 85,4 83,8 82,01 80 78 75,9 73,5 70,9 67,9
0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0, 9 1
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
7 1,649 2 1,510 9 1,395 8 1,292 4 1,205 5 1,128 2 1,064
5 0,722 6 0,660 1 0,608 2 0,561 8 0,522 7 0,488 1 0,459 5 0,432 2
3 0,494 7 0,604 3 0,697 9 0,775 5 0,843 8 0,902 5 0,957 6 1,002 9
86 0,5057 95 0,3960 47 0,3041 2 0,2247 04 0,1568 23 0,0976 27 0,0459 46 0
56 244,9 299,1 5 345,4 69 383,8 57 417,6 96 446,7 5 473,9 98 496,4 28
89 250,36 87 196,04 34 150,53 96 111,22 86 77,627 59 48,325 47 22,743 24 0
13 1,000 54 1,000 39 1,002 04 1,000 17 1,000 65 1,000 15 1,003 52 1,002 88
0
1,002 9
Y Agu a 1
K
K Agua
X
X Agua
P
P Agua
∑X
2,255 2 2,132 3 2,007 4 1,888 6 1,762 8 1,629 9 1,506 1 1,384 6 1,256
0,998 1 0,942
0
1,0019 01 0,9553 97 0,9038 33 0,8422 32 0,7751 8 0,7004 36 0,6079 82 0,4973 47 0,3666 98 0,2048 61 0
0
495
49,5
445,5
99
396
148,5
346,5
198
297
247,5
247,5
297
198
346,5
148,5
396
99
445,5
49,5
495
0
1,001 9 1,002 29 1,003 46 1,001 08 1,002 09 1,007 21 1,006 37 1,002 9 1,003 63 1,002 62 1,005 63
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
1,128 2 0,994 4
0,885 1 0,831 1 0,774 0,713 8 0,657 9 0,603 2 0,545 4 0,488 1 0,428 4
0,046 9 0,099 6 0,158 8 0,226 9 0,306 8 0,398 4 0,505 5 0,636 9 0,797 8 1,005 6
90
85
T
80 T Burbuja 75
T Rocío
70
65 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
X,Y
Mediante un gráfico (y-x), de manera práctica (experimental) señalar si se forman azeótropos. Presenta un azeótropo en la concentración de 0.88 1.000 0.900 0.800 0.700
y
0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50 x
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Obtener el siguiente gráfico [1/(yi-xi) vs xi] y verificar la ecuación de Rayleigh.
1/(y-x) 30.0000
25.0000
20.0000
1/(y-x)
15.0000
Poly. (1/(y-x)) 10.0000
5.0000
0.0000 0.0000
0.0100
0.0200
0.0300
0.0400
6. Conclusiones y Recomendaciones.
Las temperaturas de burbuja y de rocío obtenidas en laboratorio difieren un poco de las teóricas. Los datos de x – y en laboratorio no pueden formar toda la curva porque la concentración inicial es del 15% de alcohol y con la destilación esta fue disminuyendo. Por esta misma razón el azeótropo es desplazado a una concentración de 0.88, lejos del valor teórico que es aproximado 0.60. La ecuación de Lord Rayleigh varía con un 21% de los datos de laboratorio.
7. Cuestionario.1) ¿Qué diferencia existe entre destilación batch y destilación flash? Destilación por Lotes o Batch: En las destilaciones por lotes, llamadas también batch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de interés para que, durante la operación, uno o más compuestos se vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo común corresponde a las destilaciones que ocurren en los
laboratorios, donde el líquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensación, que corresponde al compuesto más volátil. En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composición de la carga inicial cambia con el tiempo. Esto 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 casos: I. Cuando la capacidad requerida es tan pequeña que no permite la operación continúa a una velocidad práctica. Las bombas, boiler, tuberías y equipos de instrumentación generalmente tienen una capacidad mínima de operación industrial. II. Los requerimientos de operación fluctúan mucho con las características del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operación por lotes generalmente tiene mayor flexibilidad de operación que los que operan en forma continua. Esta es la razón por la cual predomina el equipo de operación por lotes en plantas piloto. III. La destilación intermitente se utiliza también cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de sólidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los sólidos separados y permitir que se remuevan fácilmente al final del proceso.
Columna de destilación por lotes con rectificación Destilación flash: La destilación flash o destilación en equilibrio, es una técnica de separación de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es líquida, se alimenta a un intercambiador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpía vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande (tambor de separación) donde el líquido y el vapor se separan. Como el vapor y el líquido están en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se aproximan al equilibrio. Los procesos de separación flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinación de petróleo. Aunque se utilicen otros métodos de separación, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos.
2) Explicar el procedimiento para determinar la composición de destilado en una destilación diferencial de multicomponentes.
Balance global:
Balance parcial para los componentes:
(
) , Siendo a volatilidad constante se tiene:
Para tres componentes: Entonces se tiene tres ecuaciones cuatro incógnitas: ∑ Como se tienen los datos iníciales, se tienen las volatilidades entonces se tendría que dar las composiciones finales como XB2 u otro.
Entonces se tiene las 4 ecuaciones con las cuatro incógnitas, el sistema se resuelve por cualquier método de solución. 3) Expresar la ecuación de Lord Rayleigh en función de las volatilidades relativas La Ecuación de Lord Rayleigh: ( )
∫
∫ ( )
Las volatilidades relativas del componente más volátil y el menos volátil:
Al cociente entre las volatilidades relativas del componente más volátil y el menos volátil se denomina volatilidad relativa :
Como:
(
)
Reemplazando el valor de en la ecuación Rayleigh ∫
[
(
)
(
)
]
4) ¿Qué es un azeótropo? Un AZEOTROPO se forma cuando las desviaciones de la ley de Raoult son suficientemente grandes, las mezclas pueden presentar un máximo o un mínimo para la presión total en la curva presión de vapor-composición este máximo o mínimo a la composición del azeótropo.
Son más abundantes las mezclas que presentan el máximo en la presión de vapor (que corresponde a un mínimo a la temperatura de ebullición), y en este caso decimos que la mezcla tiene un azeótropo mínimo cuya composición corresponde al mínimo que aparece en la curva de ebullición para una presión total determinada. En esta mezcla las curvas de composición del líquido y del vapor son tangentes en el punto de azetropia. Las mezclas cuya concentración es menor que la correspondiente al azeótropo, dan lugar en la ebullición a un vapor más pobre en componente más volátil que el liquido de partida. 5) Una mezcla benceno-tolueno de composición 0.3 (fracción molar en benceno) se somete a destilación diferencial para dar un vapor de composición global 0.4. Calcúlese el porcentaje de mezcla inicial que pasa al destilado, tomando para la volatilidad relativa α=2.47. Siendo Lo=100
( ) Tomando la ecuación: (
)
Donde: yA= y2 = 0.4, entonces: (
)
Por lo tanto de la ecuación tenemos que:(x1=0.3) [
(
)
]
En (1) tenemos:
6) 10 kg de una mezcla metanol-agua de composición 50% en masa se destila en operación abierta hasta que la última gota del vapor condensado tenga igual composición que la mezcla de partida. Determínese el destilado y su composición global. Para L1
50% masa ® x (fracción molar)
̅̅̅̅
(
)
Como se vaporiza hasta la última gota
Y por tanto:
7) En una destilación simple abierta diferencial se sitúa inicialmente en la caldera una mezcla de pineno y limoneno con 60 en masa de pineno. a) Si se desea terminar la destilación cuando la fracción másica del pineno en la caldera sea de 50% en masa. ¿Qué porcentaje de la carga habrá destilado? b) ¿Qué cantidad podrá destilarse antes de que el contenido en pineno del vapor condensado descienda a una fracción molar de 0.65? c) ¿Cuál será la composición del liquido residual y la composición del vapor condensado cuando haya destilado el 50% de la carga? (la volatilidad relativa media del pineno con respecto al limoneno es de 1.77 a una atmosfera. El peso molecular de la mezcla es 133 g/mol). a)
̅
* ⁄
̅
+
* ⁄
50% masa ® x (fracción molar)
[
[
(
(
) ]
)
]
+
Para él % de mezcla inicial que pasa al destilado:
b)
Con la ecuación de equilibrio vapor-líquido calculamos x2 (
) (
)
(
)
Con la ecuación de Rayleigh: [
[
Para el destilado:
(
(
) ]
)
]
Suponiendo:
8. Bibliografía.
Fisicoquímica SHOEMAKER Análisis instrumental DALTON. Guía de Laboratorio de Operaciones Unitarias III http://iq.ua.es/MetAprox/231_puntos_de_burbuja_y_de_roco.html http://www.buenastareas.com/ensayos/Puntos-De-Ebullicion/572111.html
