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Operaciones Unitarias II Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos Pontificia Universidad Católica de Chile
Procesos de Separación Vapor-Líquido
DESTILACIÓN BINARIA
Profesores: Pedro Bouchon
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Marcela Olivares
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1. ANTECEDENTES
La operación unitaria de destilación es ampliamente usada en la industria química como
proceso de separación de componentes de una solución líquida. Este proceso depende de
la distribución de los componentes entre una fase vapor y una líquida, ya que ambos
componentes están presentes en las dos fases. La fase de vapor se origina de la fase
líquida por vaporización en el punto de ebullición.
El requisito básico para separar componentes por destilación es que la composición del
vapor sea diferente de la composición del líquido con el cual está en equilibrio en el punto
de ebullición y que además sus componentes sean volátiles.
Tres tipos de sistemas de destilación importantes son los siguientes:
Destilación instantánea (flash): consiste en separar los componentes deseados en una
sola etapa. Se vaporiza parcialmente una mezcla líquida, se permite que el vapor
establezca un equilibrio con el líquido y luego se separan las fases de vapor y de
líquido. Esto se puede hacer por lotes o en régimen continuo. Este tipo de destilación
se utiliza básicamente para la separación de componentes que tienen temperaturas de
ebullición muy diferentes. Un ejemplo es su uso industrial a gran escala en la
refinación del petróleo.
Destilación por lotes (destilación diferencial de Raleigh): se introduce la mezcla a
separar en un recipiente para calentarla, de modo que ebulla lentamente y los vapores
se extraigan al mismo tiempo que se van formando, enviándolos a un condensador
donde se recolecta el vapor condensado, es decir, el destilado. La primera porción de
condensado es más rica en el componente más volátil, sin embargo, a medida que se
avanza en la vaporización, el vapor es más pobre en este componente.
Destilación fraccionada: en este caso se lleva a cabo la separación de una mezcla de
compuestos de diferente volatilidad en una columna de platos o rellena, en forma
fraccionada. La columna tiene una sección de rectificación y una sección de
despojamiento, esta última por sobre la ubicación de la corriente que se alimenta a la
columna a una determinada altura. Ambas secciones poseen una serie de etapas de
contacto, o platos, donde ocurre la separación. En el fondo de la columna se ubica un
rehervidor que entrega la energía para la vaporización de la mezcla. Parte de los
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vapores formados se condensan en un condensador parcial ubicado a la salida de los
vapores por el tope, constituyendo un reflujo, y fluyen hacia el fondo sumándose a la
alimentación, generalmente en estado líquido. La corriente líquida fluye así en
contracorriente con respecto a los vapores, enriqueciéndose éstos en el compuesto más
volátil hacia el tope de la columna.
En el presente laboratorio se realiza una experiencia de separación de una mezcla
binaria, en un destilador tipo Raleigh, pero provisto de una columna de rectificación
que posee la opción de utilizar un reflujo variable, y además, de operar como un
destilador por cargas sin reflujo.
2. ASPECTOS TEÓRICOS
Para la realización del laboratorio se requiere conocer y entender los métodos de
destilación diferencial por lotes Raleigh y McCabe-Thiele utilizados para destilación
fraccionada. Los alumnos deben saber hacer los balances de materiales y de energía y, en
el caso de columnas, conocer el efecto de la variación de la razón de reflujo. Deben
informarse sobre los datos de equilibrio y volatilidad relativa de las mezclas binarias a
separar.
2.1 Destilación diferencial de Raleigh
La destilación por cargas es un proceso semibatch transiente, en el cual el vapor
que abandona el líquido tiene una composición del componente de interés y(t) en
equilibrio con la composición x(t) del líquido. En la figura 2.1.1 se muestra un
sistema de destilación típico, en el cual se define para el instante t el flujo molar de
vapor V y los moles de líquido que hay en la bombona de destilación, L.
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Figura 2.1.1: Sistema de destilación Raleigh
Realizando un balance de masa global y un balance de masa para el componente
de interés, se tiene:
Si se reemplaza el balance de masa global en el balance de materia del
componente de interés, se obtiene la ecuación de Raleigh:
L0 representa los moles iniciales de líquido y x0 la fracción molar inicial en el
líquido del compuesto de interés.
2.2 Destilación fraccionada: método de McCabe-Thiele
Los procesos de múltiples etapas se inventaron con el propósito de aumentar la
pureza y la cantidad de producto obtenido, además de lograr un mejor
aprovechamiento de agente separador, es decir, del calor.
Bajo régimen transiente los balances de materia involucrados en el proceso son el
balance total de materia y el del componente de interés, en donde F corresponde al
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flujo de alimentación a la torre, D el destilado obtenido, B el producto de cola, xD
y xB las fracciones molares de compuesto de interés en el destilado y el producto
de cola, respectivamente. En régimen estacionario se tiene que:
La torre de destilación se divide en dos secciones, la de rectificación y la de
agotamiento; el límite donde parte una y comienza otra lo determina el plato donde
es introducida la alimentación. En la figura 3.2.1 se muestra un diagrama de una
torre de destilación típica, en donde se especifican las secciones de rectificación
(enriquecimiento) y agotamiento (empobrecimiento).
Figura 2.2.1. Columna de destilación, donde se muestran las secciones de balance de masa
para el método McCabe -Thiele
Para analizar el proceso teóricamente se debe contar con la curva de equilibrio
líquido-vapor del compuesto de interés. Así, se pueden graficar las líneas de
operación de la sección de rectificación (LOR) y de la sección de agotamiento
(LOA). Éstas se obtienen de realizar balances de materia en ambas secciones,
obteniéndose:
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(LOR)
(LOA)
Con L y V el flujo molar de líquido y vapor en la sección de enriquecimiento de la
columna, y los flujos molares de líquido y vapor en la sección de agotamiento
de la columna de destilación. Además, es frecuente definir la razón de reflujo
.
Con respecto al tipo de alimentación (líquido subenfriado, líquido saturado,
mezcla vapor-líquido, vapor saturado o vapor sobrecalentado), ésta determina la
relación entre el vapor en la zona de agotamiento y en la zona de enriquecimiento,
así como la relación entre el líquido en ambas zonas de la torre. Es por esto que se
define la razón q, que representa los moles se líquido que fluyen en la sección de
agotamiento como consecuencia de la introducción de la alimentación. Luego, se
define la línea q, que determina el lugar geométrico de las intersecciones de la
LOR y LOA, y está dada por la siguiente expresión:
En la figura 2.2.2 se muestran, en un diagrama de equilibrio, las líneas de
operación de la sección de enriquecimiento y de agotamiento y la línea q.
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Figura 2.2.2: Localización de la línea q para diferentes condiciones de alimentación:
líquido por debajo de su punto de ebullición (q>1), líquido en su punto de ebullición
(q=1), mezcla líquido vapor (0<q<1), vapor saturado (q=0).
Para determinar el número de platos teóricos necesarios en una torre, una vez que
se trazan las líneas de operación y se intersectan con la línea q, se deben escalonar
los platos hacia abajo, comenzando en la parte superior (xD) hasta llegar a la parte
inferior de la torre (xB). En la figura 2.2.3 se muestra cómo se determina
gráficamente el número de platos teóricos en una torre de destilación.
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Figura 2.2.3: Método para escalonar el número de platos teóricos y localización del plato
de alimentación.
2.3 Destilación discontinua (batch) en etapas múltiples.
Es posible también hacer destilaciones en etapas múltiples sobre una base discontinua,
con una instalación como la de la figura 2.3.1. Esta consta de una bombona donde se
carga la alimentación líquida; la bombona está provista de un sistema de calefacción para
producir la ebullición de la mezcla líquida, y tiene, a la salida de los vapores una columna
de rectificación. Los vapores se condensan en el tope y parte de ellos es reflujada hacia la
columna. En el caso del equipo del laboratorio la columna está rellena con Anillos Rashig
de 1”.
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Figura 2.3.1: Destilación discontinua de etapas múltiples.
Se alimenta una carga inicial de líquido al destilador y se conectan los sistemas de
calefacción y enfriamiento y se inicia la destilación. La destilación es similar a la de
Raleigh, con la excepción de la presencia de platos (o en el caso laboratorio, de relleno) y
del ingreso de reflujo por el tope de la torre. Las composiciones de todos los puntos de la
columna van cambiando constantemente y en cada plato se produce un proceso de mezcla
de modo que:
Entrada – Salida = Acumulación
Vp-1 Ya, p-1 + L p+1 Xa,p+1 – VpYa,p – Lp Xap = d/dt (MXa,p) (Ec. 3.3.1)
en que M es el líquido retenido en un plato p (nº de moles de líquido presentes en el plato
p). Suponiendo que la acumulación de vapores del compuesto A en cada plato es
despreciable y que el líquido en cada plato está bien mezclado, lo que calza con la
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realidad en la columna rellena del laboratorio, Xa del segundo miembro debería ser el
promedio de la sección del plato, más que la fracción molar a la salida de éste.
Si la acumulación de líquido en los platos es bastante baja, la derivada respecto del tiempo
puede depreciarse en comparación con cada uno de los términos del primer miembro de la
ecuación 2.3.1. Esta situación se producirá cuando la retención en los platos sea una
pequeña fracción (5% o menos) de la carga del destilador. En este caso se podrían
emplear las ecuaciones de estado estacionario de la columna continua para relacionar
composiciones dentro de la columna discontinua respecto del tiempo. Esto a su vez,
significaría que podría utilizarse el sistema de McCabe-Thiele para relacionar
composiciones de fase líquida y fase vapor.
En la figura 2.3.2 se muestra el análisis de McCabe–Thiele para una columna de baja
retención que funciona a razón de reflujo constante. Las líneas de operación para
diferentes tiempos son una serie de líneas paralelas con la misma pendiente, ya que L/V
se mantiene constante. La construcción para una composición del producto de cabeza
XA,d1 se indica por líneas continuas. Ya que preferentemente se elimina el componente A,
en la destilación XA,b y XA,d serán mas bajas a mayores tiempos. Las líneas segmentadas
representan la construcción para un tiempo posterior, cuando la composición de la cabeza
es de XA,d2. En cada caso la línea de operación de pendiente conocida se traza utilizando el
valor de XA,d que se esta considerando. En la figura 2.3.2 se miden tres etapas de
equilibrio más el hervidor (perol) para dos composiciones del destilado, con lo que se
obtienen los valores de XA,d.
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Figura 2.3.2. Destilación discontinua a razón de reflujo constante, 3 etapas de equilibrio
mas el hervidor.
Considerando que la ecuación de Rayleigh es aplicable a una destilación discontinua a
razón de reflujo constante, como XA,d es la composición de la corriente de producto que se
separa continuamente y XA,b es la composición del material que se ha quedado en el
destilador, la ecuación de Rayleigh toma la forma:
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(Ec. 3.3.2)
En que F’ = Cantidad de carga inicialb’ = Cantidad que permanece en el calderín al final de la destilación.X A,F = Composición de la alimentaciónX A,b’ = Composición del producto final b’
Se requiere de una integración grafica, con relación a XA,d y XA,b para cualquier XA,b elegido de la
construcción de la figura 2.3.2. Cuando se ha evaluado la integral de la ecuación 2.3.2 la
composición del destilado puede obtenerse a partir de un balance global de materia.
En otra situación, ya no a razón de reflujo constante sino que para composición de destilado
constante, la figura 2.3.3 indica el análisis para el caso de una razón de reflujo que varía de tal
modo que da una composición del producto de tope constante durante toda la destilación. Las
líneas de operación parten del punto que representa la composición constante del destilado. Para
cada línea de operación el numero de etapas necesarias pueden medirse para cada XA,b como una
función de L/D (el subíndice 2 en la figura 2.3.3 se refiere a un tiempo posterior al subíndice 1)
Figura 2.3.3: Destilación discontinua a Xd cte., 3 etapas de equilibrio mas calderín.
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3. EQUIPO
El equipo que se usa en el laboratorio es un estanque de acero inoxidable (perol o
bombona) de aproximadamente 60 litros de capacidad, calefaccionado con camisa de
vapor, que usa vapor de un calderín eléctrico como medio calefactor y que tiene una
válvula de control que regula el flujo de vapor. Ésta a su vez es manejada por un
controlador de temperatura en el cual se define un setpoint de acuerdo a la temperatura de
operación que se requiera. El estanque se carga con la mezcla de los dos productos que se
quieran separar, en este caso acetona y agua, por su parte superior y tiene una válvula de
descarga en el fondo que sirve para vaciarlo y para tomar muestras del producto de fondo
si se requiere.
El estanque posee una columna de rectificación de 1 metro de alto, de acero inoxidable,
aislada y rellena con anillos Rashig de 1”, por donde suben los vapores que saldrán por el
tope. Estos pueden:
Pasar a un condensador total y así recibir todos los vapores como producto de tope
liquido.
Pasar a un condensador parcial donde una parte del líquido se condensa y se devuelve
a la columna como reflujo por el tope. La parte no condensada pasa al condensador
total y se recibe como producto condensado. De esta forma se trabaja en esta
experiencia.
Los dos condensadores anteriores se refrigeran con agua de la red. El flujo de agua del
condensador parcial se puede ajustar mediante una válvula de control y se mide
experimentalmente como masa/tiempo. Es posible usar diferentes razones de reflujo
desde reflujo cero, cerrando el paso de agua de refrigeración al condensador parcial y
condensando y retirando todo el producto por el tope, hasta el máximo reflujo que permite
el equipo al emplear la capacidad máxima de refrigeración del condensador. En la
experiencia de laboratorio se trabaja con un flujo constante de agua de refrigeración y,
por lo tanto, con una corriente de reflujo variable.
El equipo posee sensores de temperatura en todos sus puntos: dentro del estanque, en la
base de la columna, en el tope de la columna, en el condensador parcial y a la entrada y
salida de la corriente de agua de enfriamiento del condensador parcial.
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El caudal del agua de refrigeración usada en el condensador parcial se determina como
masa/tiempo. Sus temperaturas de entrada y de salida se miden mediante sensores Pt100.
El caudal de destilado, su densidad y temperatura se registran en línea. La concentración
de acetona en el destilado se determina a través de su densidad y temperatura. La
concentración de acetona en el estanque se determina mediante Balance de Materiales.
Toda la instalación es supervisada desde un sistema central computarizado, marca
Siemens, que permite también registrar datos. El sistema de control consta de tres
subsistemas principales.
Sistemas de supervisión : consta de cuatro computadoras, una de ellas es un servidor
operando con Windows 2000 Server. Éste se comunica con el controlador principal y
desde allí toma los datos necesarios para cada operación (temperatura, presión, caudal,
etc.). Las otras computadoras son clientes que pueden acceder a los datos a través del
servidor.
Controlador principal : en esta unidad se programa toda la lógica de control; su función
principal es tomar datos de terreno, evaluar la acción a tomar (según el programa de
control) y activar accionamientos o elementos finales de control (válvulas, motores,
etc.).
Unidades periféricas distribuidas para adquisición y control de señales de terreno :
estas unidades tienen como función tomar los datos directamente desde los
instrumentos de terreno (transmisores de presión, temperatura, etc.) y enviar estos
datos hacia el controlador principal. También reciben las órdenes desde el controlador
para manipular algún accionamiento o elemento final de control.
En la figura 3.1 se muestra un diagrama de la instalación de laboratorio donde se incluyen
los sensores, controladores, indicadores y válvulas de control.
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Figura 3.1: Diagrama de la planta de destilación
Donde se tiene que:
TE : Elemento Sensor de Temperatura
TIT : Transmisor Indicador de Temperatura
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TIC : Controlador Indicador de Temperatura
FIT : Transmisor Indicador de Flujo
DIT : Transmisor Indicador de Densidad
VIC : Controlador Indicador de Válvula.
AE : Elemento de Análisis
CV : Válvula de Control
Notas:
Aunque no se muestra en la figura se ha instalado un sensor de temperatura a la
salida del agua del condensador parcial.
En el esquema anterior aparece como mezcla a destilar alcohol-agua, aun cuando
la experiencia se realiza con una mezcla acetona-agua.
SEGURIDAD:
Considerando que la acetona es un material peligroso los alumnos deben contar con la
Ficha de Seguridad Química de Acetona (que debe ser traída al laboratorio por los
alumnos), trabajar con guantes, anteojos de seguridad y mascara de seguridad cuando se
les indique y, antes de la experiencia, hacer andar el motor del extractor de gases bajo el
cual se encuentra instalado el equipo.
4. OBJETIVOS
Los objetivos de esta experiencia se orientan a analizar el avance del proceso de separación
durante la destilación desde el momento de su inicio (cuando se obtiene la primera gota de
destilado que corresponde a acetona pura) hasta el momento en el cual se ha separado gran
parte de la acetona en el destilado, lo que se observa porque la mezcla contenida en el perol
presenta una temperatura de ebullición cercana a la del agua pura, es decir contiene una
fracción muy baja de acetona. Los objetivos específicos son los siguientes:
a) Destilar una mezcla de acetona-agua (2-5% en moles de acetona) operando con
reflujo y utilizando un caudal fijo de agua de enfriamiento en el condensador
parcial, durante 30 minutos aproximadamente de modo de obtener una recuperación
importante de la acetona contenida en el perol donde se cargó la mezcla inicial
acetona-agua. Registrar datos cada 5 minutos.
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b) Determinar la composición del destilado, cada 5 minutos, en base a su
densidad suponiendo que esta propiedad es aditiva para la mezcla.
c) Determinar la composición de la corriente de reflujo, cada 5 minutos,
suponiendo equilibrio físico-quimico entre ésta y el vapor que sale del condensador
parcial y es finalmente condensado. Para esto se debe calcular la volatilidad relativa
de la mezcla para las correspondientes temperaturas registradas en el tope de la
columna.
d) Determinar la masa reflujada, cada 5 minutos, en base al calor retirado en el
condensador parcial. Para esto se supone que el calor latente de vaporización de la
mezcla es una propiedad aditiva. Determinar la razón de reflujo en cada tiempo.
e) Determinar, para cada tiempo, la composición de la mezcla contenida en la
bombona mediante balance de materiales, utilizando la ecuación de Raleigh.
f) Analizar y discutir los resultados obtenidos
5. REFERENCIAS
Geankoplis, C.J. (1998). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México:
Continental.
Del Valle, J.M., “Introducción a la ingeniería de procesos químicos y bioprocesos”,
Santiago de Chile 1977
Bouchon P., Apuntes de clase Operaciones Unitarias II, 2º semestre 2007.
King, C.J. (1980). Separation Processes. New York, EEUU: McGraw-Hill.
McCabe, W.L., Smith, J.C. & Harriott, P. (2002). Operaciones Básicas de Ingeniería
Química. México: McGraw-Hill.
Perry, R.H., Chilton, C.H. & Kirkpatrick, S.D. Chemical Engineer’s Handbook. New
York, EEUU: McGraw-Hill.
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Santiago, Agosto de 2013
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Notas: Activar el sistema de extracción de vapores del
Laboratorio, ubicado sobre la columna de destilación, antes de comenzar la experiencia, el cual debe continuar funcionando durante todo el transcurso de esta.
Tener presentes las Hojas de Seguridad de la Acetona y seguir las recomendaciones que en ellas se señalan.
Trabajar con los implementos de seguridad señalados por los profesores, ayudantes y técnicos.
