DESTILACION DIFERENCIAL

DESTILACION DIFERENCIAL1. Objetivo.-El objetivo de la presente prctica es verificar la ecuacin de Rayleigh, as como tambin determinar la temperatura de burbuja y la temperatura de roci de una mezcla binaria, tambin se pretende que el alumno llegue a dominar los clculos necesarios para la resolucin del problema de destilacin simple, abierta o diferencial.2. Fundamento Terico.-La destilacin es una operacin unitaria que consiste en la separacin de los componentes de una mezcla liquida (en la que todos los compuestos son ms o menos voltiles) por evaporacin y condensacin sucesivas. La separacin se basa en la diferencia de volatilidades absolutas de los componentes, lo que tiene como consecuencia la formacin de un vapor de composicin diferente a la del lquido del que procede. Lgicamente, cuando mayor sea la diferencia de volatilidades mayor ser la separacin que se puede conseguir. Para el clculo de la composicin del vapor que se desprende se supondr que este se encuentra en equilibrio con la fase liquida presente en cada instante.La destilacin simple, abierta o diferencial es una operacin 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 ebullicin, 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 composicin del liquido, ya que se eliminan preferentemente los componentes ms voltiles, con lo cual va aumentando consiguientemente la temperatura de burbuja de la mezcla. Lgicamente, el vapor (siempre en equilibrio con el lquido en la caldera) tambin cambiara continuamente su composicin, empobrecindose en el componente ms voltil.El calor debe suministrarse en la caldera de modo que en todo instante el vapor generado este en equilibrio con el lquido en la caldera.Debe por tanto compensar las prdidas, el calor latente de vaporizacin y el calor sensible del lquido. Lgicamente, en este proceso tampoco podr haber reflujo (el vapor se debe eliminar instantneamente y separarse del lquido). Estas condiciones pueden ser difciles de conseguir en la prctica.El proceso se contina hasta que se alcanza la separacin deseada. La figura N 1 muestra un esquema de este tipo de proceso. Este tipo de destilacin se usa frecuentemente en trabajos de laboratorio y en plantas piloto.El destilado puede recogerse en distintos recipientes, en funcin de su composicin lo que se conoce como destilacin fraccionada.Tambin se utiliza con fines analticos en caracterstica de fracciones de petrleo o distintos productos (por ejemplo en algunas normas ASTM para la determinacin de intervalos de destilacin)

Las ecuaciones representativas del proceso se deducen a continuacin:Sea L0 la cantidad inicial de mezcla que se deposita en la caldera (en moles o en masa), de composicin xi(o), en el componente i tomando como referencia (normalmente el ms voltil). En un instante determinado quedara una determinada cantidad de liquido L, de composicin xi. Sea dV la cantidad diferencial de vapor que se genera en un intervalo de tiempo comprendido entre y +d, en equilibrio con el liquido, con composicin yi. En ese intervalo de tiempo, d, el lquido sufre una variacin total dL y su composicin tambin variara en un dxi. Un balance de materia en este periodo de tiempo proporciona las siguientes ecuaciones.Si: = . Cantidad total de vapor de composicin yi 0

Cantidad total de liquido de composicin xi L

Composicin de vapor

Composicin de lquido xi

Componente i en el vapor

Componente i en el liquido Lxi

Para = + d Cantidad total de vapor de composicin yi dV

Cantidad total de liquido de composicin xi L-dL

Composicin de vapor yi

Composicin de liquido xi + dxi

Componente i en el vapor yidV

Componente i en el liquido (L-dL) (xi -dxi)

Lgicamente la cantidad total y de componentes i que pasa a la fase en el tiempo d ser igual a la variacin 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 ltima ecuacin entre las condiciones inciales: L=Lo, xi = xi(o), y las condiciones finales: L=Lf, xi = xi (f), se puede escribir:

Esta ecuacin se conoce como ecuacin de Lord Rayleigh. Para resolver los problemas relacionados con la destilacin 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 composicin media, podremos plantear los siguientes balances:

As pues, las ecuaciones relacionan las cantidades y composiciones de todas las fases implicadas en el proceso en cualquier instante.3. Material y Reactivos.- Un baln de destilacin Un condensador tipo Liebigh Dos pipetas graduadas de 10 ml Tres vasos de precipitacin de 100 ml Una probeta graduada de 50 ml Una chaqueta de calefaccin elctrica Una pizeta Un termmetro digital con termocuplas Un termmetro de mercurio (0-100C) Un refractmetro de Abbe Una bolsa de algodn (cada grupo deber traer) Etanol Acetona Benceno Agua destilada Un soporte universal Dos pinzas alicate Dos mangueras de goma4. Procedimiento.-Armar el equipo como se muestra:

En un baln de destilacin, provisto de un condensador tipo Liebigh y un termmetro o termocuplas, depositar 200ml de una solucin de acetona-agua al 15% en masa de acetona. Preceder a calentar el baln hasta ebullicin. En una probeta graduada recibir el destilado. Cada 5 ml de destilado, tomar lectura de ndice de refraccin y al mismo tiempo de la temperatura. Cuando llegue a acumularse en la probeta graduada 50 ml de destilado, detener el proceso de destilacin.5. Clculos, 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 destiladoI residuoT destiladoT residuoV

1.36341.3461662.5

1.36251.338562692.5

1.36221.33763712.5

1.3621.336264732.5

1.36121.335165772.5

1.3611.334366782.5

1.36081.334268822.5

1.35751.33470852.5

1.35261.333572882.5

Con las curvas de la primera prctica se obtienen las composiciones molares:

I destiladoI residuo% destilado% residuox ac destiladoy ac residuo

1.36341.3464.2813.980.03010.0028

1.36251.338561.4911.570.02680.0023

1.36221.33760.599.220.02580.0017

1.3621.3362607.990.02520.0015

1.36121.335157.696.310.02300.0012

1.3611.334357.135.110.02250.0009

1.36081.334256.574.960.02200.0009

1.35751.33448.034.660.01570.0008

1.35261.333537.013.920.01000.0007

Para la mezcla binaria calcular de manera terica el punto de burbuja y el punto de roci y comparar con la parte experimental.TericoLa ecuacin de Antoine:

Las constantes de Antoine:ABCTmin [C]Tmax [C]

Alcohol7.13271219.97230.653-6470

7.63131566.69273.41957205

Promedio7.3821393.33252.036-3.5137.5

Agua8.107651750.286235060

7.966811668.2122860150

Promedio8.037231709.248231.530105

Realizando iteraciones, la temperatura de burbuja ser:T burbuja

90

Pv*XKYPY

2034.063360.0523.366819360.17507461105.7712951

Pv*AguaX AguaK AguaY AguaP AguaP total

525.7157590.9480.870174470.82492539498.378539604.149834

Realizando iteraciones, la temperatura de roco ser:

T rocio

92.64513

Pv*XKYPY

2185.8790.0143.6190.05231.4081.000

Pv*AguaX AguaK AguaY AguaP AguaP total

580.9450.9860.9620.948572.592604

EXPERIMENTAL:En el destilado:TXAlcohol PvAlcoholPpAlcohol Xagua Pvagua Ppagua

610.0301853.057725.67110.9699156.1878151.4876

620.0268881.357323.61350.9732163.5148159.1339

630.0258910.407123.50930.9742171.1323166.7131

640.0252940.221423.70310.9748179.0494174.5355

650.0230970.814722.29840.9770187.2756182.9741

660.02251002.201622.50980.9775195.8207191.4225

680.02201067.415623.44530.9780213.9070209.2086

700.01571135.983217.81710.9843233.3901229.7295

720.01001208.026712.11490.9900254.3553251.8045

PT KAlcoholKaguaYAlcoholYagua

177.15874.81520.88160.14490.85511

182.74744.82280.89480.12920.87081

190.22244.78600.89960.12360.87641

198.23864.74290.90320.11960.88041

205.27264.72940.91230.10860.89141

213.93234.68470.91530.10520.89481

232.65404.58800.91940.10080.89921

247.54674.58900.94280.07200.92801

263.91944.57730.96380.04590.95411

Promedio:T

65.67

Para el residuo:TYAlcoholPvAlcoholPpAlcoholYaguaPvaguaPpagua

660.00281002.20160.59240.9972195.8207211.4076

690.00231101.27260.47720.9977223.4687211.5228

710.00171171.56280.37060.9983243.6820211.6294

730.00151245.39070.31690.9985265.4215211.6831

770.00121404.16380.24590.9988313.8469211.7541

780.00091446.26690.19670.9991327.0539211.8033

820.00091624.81110.19060.9991384.6655211.8094

850.00081769.82870.17850.9992433.2738211.8215

880.00071924.88350.14900.9993486.9350211.8510

PtKAlcoholKaguaXAlcoholXagua

212.00004.72740.92370.00061.07961.08018906

212.00005.19471.05410.00040.94650.94697679

212.00005.52621.14940.00030.86850.86878196

212.00005.87451.25200.00030.79750.79779002

212.00006.62341.48040.00020.67470.67488023

212.00006.82201.54270.00010.64760.64774587

212.00007.66421.81450.00010.55060.55074998

212.00008.34822.04370.00010.48890.48898691

212.00009.07962.29690.00010.43510.43514775

Promedio:T Roco

76.56

PARA L1:

PARA L2:

PARA D:

Calcular las composiciones del destilado y del residuo de manera terica y comparar con los obtenidos de manera experimental.

Reemplazando los datos calculados en el anterior punto:

x 1/(y-x)

0.03018.7099

0.02689.7636

0.025810.2285

0.025210.5979

0.023011.6741

0.022512.0833

0.022012.6889

0.015717.7650

0.010027.8745

Mediante un grfico (Tx, y), de manera terica sealar los puntos de burbuja y de roco.T BurbujaPv*Pv*AguaXX AguaKK AguaYY AguaPP AguaY

88,61120,4967495,95971012,26361,001901,0019390495,95971,00194

85,5997,43028439,851640,10,92,0150,88860,20150,7997399,743395,86651,00123

82,79899,27854395,248660,20,81,81670,79850,36330,638786179,856316,19891,00213

80,3816,33482357,669580,30,71,64920,72260,49470,505795244,9250,36871,00054

78,08747,87507326,738940,40,61,51090,66010,60430,396047299,15196,04341,00039

76,1690,93728301,079180,50,51,39580,60820,69790,30412345,469150,53961,00204

74,2639,76225278,071470,60,41,29240,56180,77550,224704383,857111,22861,00017

72,5596,70843258,758620,70,31,20550,52270,84380,156823417,69677,627591,00065

70,9558,43752241,627330,80,21,12820,48810,90250,097627446,7548,325471,00015

69,5526,66475227,432430,90,11,0640,45950,95760,045946473,99822,743241,00352

68,1496,4277213,94845101,00290,43221,00290496,42801,00288

T RocoPv*Pv*AguaYY AguaKK AguaXX AguaPP AguaX

88,51116,3386494,06087012,25520,998101,00190104951,0019

871055,4909466,298420,10,92,13230,9420,04690,95539749,5445,51,00229

85,4993,65619438,134090,20,82,00740,88510,09960,903833993961,00346

83,8934,87069411,406780,30,71,88860,83110,15880,842232148,5346,51,00108

82,01872,57212383,137010,40,61,76280,7740,22690,775181982971,00209

80806,78829353,351520,50,51,62990,71380,30680,700436247,5247,51,00721

78745,50074325,66770,60,41,50610,65790,39840,6079822971981,00637

75,9685,39384298,584310,70,31,38460,60320,50550,497347346,5148,51,0029

73,5621,72875269,977060,80,21,2560,54540,63690,366698396991,00363

70,9558,43752241,627330,90,11,12820,48810,79780,204861445,549,51,00262

67,9492,22999212,07851100,99440,42841,0056049501,00563

Mediante un grfico (y-x), de manera prctica (experimental) sealar si se forman azetropos.Presenta un azetropo en la concentracin de 0.88

Obtener el siguiente grfico [1/(yi-xi) vs xi] y verificar la ecuacin de Rayleigh.

6. Conclusiones y Recomendaciones.- Las temperaturas de burbuja y de roco obtenidas en laboratorio difieren un poco de las tericas. Los datos de x y en laboratorio no pueden formar toda la curva porque la concentracin inicial es del 15% de alcohol y con la destilacin esta fue disminuyendo. Por esta misma razn el azetropo es desplazado a una concentracin de 0.88, lejos del valor terico que es aproximado 0.60. La ecuacin de Lord Rayleigh vara con un 21% de los datos de laboratorio.7. Cuestionario.-1) Qu diferencia existe entre destilacin batch y destilacin flash?Destilacin por Lotes o Batch:En las destilaciones por lotes, llamadas tambin batch, se carga al equipo una determinada cantidad de la mezcla de inters para que, durante la operacin, uno o ms compuestos se vayan separando de la mezcla original. Un ejemplo comn corresponde a las destilaciones que ocurren en los laboratorios, donde el lquido es vaciado en un recipiente y calentado hasta hervir. El vapor formado se retira continuamente por condensacin, que corresponde al compuesto ms voltil.En las separaciones por lotes no hay estado estable y la composicin 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 voltiles a medida que avanza la destilacin. La destilacin por lotes se utiliza en los siguientes casos:I. Cuando la capacidad requerida es tan pequea que no permite la operacin contina a una velocidad prctica. Las bombas, boiler, tuberas y equipos de instrumentacin generalmente tienen una capacidad mnima de operacin industrial.II. Los requerimientos de operacin fluctan mucho con las caractersticas del material alimentado y con la velocidad de procesamiento. El equipo para operacin por lotes generalmente tiene mayor flexibilidad de operacin que los que operan en forma continua. Esta es la razn por la cual predomina el equipo de operacin por lotes en plantas piloto. III. La destilacin intermitente se utiliza tambin cuando la mezcla a separar tiene un alto contenido de slidos. El uso de una unidad por lotes puede mantener a los slidos separados y permitir que se remuevan fcilmente al final del proceso.

Columna de destilacin por lotes con rectificacinDestilacin flash:La destilacin flash o destilacin en equilibrio, es una tcnica de separacin de una sola etapa. Si la mezcla que se desea separar es lquida, se alimenta a un intercambiador de calor donde se aumenta su temperatura y entalpa vaporizando parte de la mezcla, luego la mezcla entra a un volumen suficientemente grande (tambor de separacin) donde el lquido y el vapor se separan. Como el vapor y el lquido estn en un estrecho contacto, ocurre que las dos fases se aproximan al equilibrio.Los procesos de separacin flash son muy comunes en la industria, particularmente en la refinacin de petrleo. Aunque se utilicen otros mtodos de separacin, no es raro encontrar destilaciones flashes preliminares para reducir la carga de entrada a los otros procesos.

2) Explicar el procedimiento para determinar la composicin de destilado en una destilacin 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 incgnitas:

Como se tienen los datos inciales, se tienen las volatilidades entonces se tendra que dar las composiciones finales como XB2 u otro.Entonces se tiene las 4 ecuaciones con las cuatro incgnitas, el sistema se resuelve por cualquier mtodo de solucin.3) Expresar la ecuacin de Lord Rayleigh en funcin de las volatilidades relativasLa Ecuacin de Lord Rayleigh:

Las volatilidades relativas del componente ms voltil y el menos voltil:

Al cociente entre las volatilidades relativas del componente ms voltil y el menos voltil se denomina volatilidad relativa :

Como:

Reemplazando el valor de en la ecuacin Rayleigh

4) Qu es un azetropo?Un AZEOTROPO se forma cuando las desviaciones de la ley de Raoult son suficientemente grandes, las mezclas pueden presentar un mximo o un mnimo para la presin total en la curva presin de vapor-composicin este mximo o mnimo a la composicin del azetropo.Son ms abundantes las mezclas que presentan el mximo en la presin de vapor (que corresponde a un mnimo a la temperatura de ebullicin), y en este caso decimos que la mezcla tiene un azetropo mnimo cuya composicin corresponde al mnimo que aparece en la curva de ebullicin para una presin total determinada. En esta mezcla las curvas de composicin del lquido y del vapor son tangentes en el punto de azetropia. Las mezclas cuya concentracin es menor que la correspondiente al azetropo, dan lugar en la ebullicin a un vapor ms pobre en componente ms voltil que el liquido de partida.5) Una mezcla benceno-tolueno de composicin 0.3 (fraccin molar en benceno) se somete a destilacin diferencial para dar un vapor de composicin global 0.4. Calclese el porcentaje de mezcla inicial que pasa al destilado, tomando para la volatilidad relativa =2.47.Siendo Lo=100

Tomando la ecuacin:

Donde: yA= y2 = 0.4, entonces:

Por lo tanto de la ecuacin tenemos que:(x1=0.3)

En (1) tenemos:

6) 10 kg de una mezcla metanol-agua de composicin 50% en masa se destila en operacin abierta hasta que la ltima gota del vapor condensado tenga igual composicin que la mezcla de partida. Determnese el destilado y su composicin global.Para L150% masa x (fraccin molar)

Como se vaporiza hasta la ltima gota

Y por tanto:

7) En una destilacin simple abierta diferencial se sita inicialmente en la caldera una mezcla de pineno y limoneno con 60 en masa de pineno.a) Si se desea terminar la destilacin cuando la fraccin msica del pineno en la caldera sea de 50% en masa. Qu porcentaje de la carga habr destilado?b) Qu cantidad podr destilarse antes de que el contenido en pineno del vapor condensado descienda a una fraccin molar de 0.65?c) Cul ser la composicin del liquido residual y la composicin 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 (fraccin molar)

Para l % de mezcla inicial que pasa al destilado:

b)

Con la ecuacin de equilibrio vapor-lquido calculamos x2

Con la ecuacin de Rayleigh:

Para el destilado:

Suponiendo:

8. Bibliografa.- Fisicoqumica SHOEMAKER Anlisis instrumental DALTON. Gua 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