UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO LABORATORIO DE PROCESOS INFORME DE LABORATORIO LABORATORIO N O 2
2015-I
DESTILACION Abello Viviana Viviana1, Aguirre Johanna1, Albarracín Jorge1, Angarita Ivette 1, Carvajalino Juan Diego1 1
Estudiantes de Laboratorio de procesos. rupo 1, practica !.
Resumen La dest destil ilac aci" i"n n es un proc proces eso o #ue #ue cons consis iste te en sepa separa rarr una una $e%c $e%cla la de vari varios os co$ponentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los $ateriales vol&tiles de los no vol&tiles. En el presente trabajo se deter$ina en rendi$iento ' la e(iciencia energ)tica de una torre de destilaci"n e$pacada $ediante la reali%aci"n de balances de $asa ' energía, así co$o el c&lculo de n*$ero de etapas te"ricas usando el $)todo de gra(ico de +cCabe-hiele.
P!"#s $!%es& Destilaci"n, eciclo, +)todo +cCabe-hiele, E#uilibrio de (ases.
1'
INTRODUCCI(N
En la $a'oría de procesos #uí$icos, las reacciones se presentan en (ase lí#uida, por lo #ue la producci"n de un co$ponente valioso general$ente se presenta en una solu soluci ci"n "n junt junto o con con otro otros s subp subpro rodu duct ctos os de la reac reacci ci"n "n,, es por por eso eso #ue #ue se hace hace indispe indispensab nsable le la puri(ica puri(icaci"n ci"n de nuestro nuestro co$pone co$ponente nte valioso valioso $ediante $ediante proceso procesos s de separaci"n. separaci"n. Durante $&s de /000 aos la destilaci"n destilaci"n se ha utili%ado pre(erencial$ente pre(erencial$ente para esta (unci"n partiendo de $e%clas li#uidas binarias o $ultico$ponente. 2"ra3 4 5orensen, 60178. La e(ectividad de la separaci"n depende de la distribuci"n de estos co$ponentes entre una (ase de vapor ' una (ase lí#uida, #ue viene dada por los puntos de ebullici"n de cada co$ponente. +edian +ediante te este este proce proceso so es posib posible le separ separar ar por por eje$pl eje$plo o una una $e%cl $e%cla a etanol etanola agu gua, a, correspondiendo el pri$ero a la corriente de destilado 2salida por el tope8 ' el agua en su $a'oría co$o residuo 2corriente del (ondo8. 2+cCabe, 5$ith, 4 9arriot, 60068 :no de los par&$etros $&s i$portantes en la operaci"n operaci"n de este e#uipo es la relaci"n entre el lí#uido devuelto a la torre por parte del condensador ' el vapor #ue entra a )ste, pues pues depe depend ndien iendo do de esta esta ra%"n ra%"n se lograr lograr& & un $a'or $a'or grado grado de puri( puri(ica icaci ci"n "n con deter$inado gasto energ)tico
2' OB)ETIVOS OB)ETIVO GENERAL& 5eparar una $e%cla binaria de etanolagua 60;<=< por $edio de la destilaci"n para obtener un destilado rico en etanol.
OB)ETIVOS ESPECÍFICOS& •
• •
•
>perar la torre de destilaci"n e$pacada hasta alcan%ar las condiciones de estado estacionario Aplicar el el balance de $asa ' energía utili%ados utili%ados en los procesos de destilaci"n destilaci"n Deter$in Deter$inar ar la co$posic co$posici"n i"n (inal, (inal, te$perat te$peratura ura ' densida densidad d del destilado destilado ' de los productos de (ondo. >btener la curva de operaci"n
*' MARCO TE(RICO 5e deno$ina destilaci"n a la operaci"n unitaria #ue busca separar dos co$ponentes de una $e%cla li#uida aprovechando la di(erencia de puntos de ebullici"n de cada co$ponente puro. La colu$na de destilaci"n consta de una secci"n de agota$iento #ue la aco$paa aco$paa un rehervidor rehervidor #ue se encarga de re(inar el co$ponente co$ponente $enos vol&til enviando una parte de la corriente de salida de nuevo a la torre, ' una secci"n de enri#ueci$iento donde la salida es en su $a'oría co$ponente vol&til ' pasando luego a un condensador #ue devuelve una (racci"n de esta corriente para hacer $&s e(ectiva la puri(icaci"n del co$ponente $&s vol&til. 2+cCabe, 5$ith, 4 9arriot, 60068. El grado de puri(icaci"n aun#ue depende del e#uilibrio de las (ases para las sustancias #ue se #uieran trabajar, no puede ser controlado de esta $anera, por lo #ue se necesita necesita de variables de operaci"n co$o el re(lujo, su$inistro de energía '=o variables de diseo co$o la altura de la torre, nu$ero de platos, diseo del plato ' plato de ali$entaci"n principal$ente. 2"ra3 4 5orensen, 60178
E+u,!,"#, .e /ses En la destilaci"n (raccionada, en cada plato ocurre la trans(erencia de $asa de uno o $&s co$ponentes de una (ase a otra, donde para tie$pos de contacto entre (ases su(icien su(icientes, tes, se alcan%a alcan%an n el e#uilibr e#uilibrio io ter$odin ter$odin&$ic &$ico o para para cada co$ponen co$ponente. te. Dicho Dicho e#uilibrio e#uilibrio puede ser representado representado en diagra$as diagra$as #ue representen representen la te$peratura te$peratura en (unci (unci"n "n de la (racc (racci"n i"n del vapor vapor,, del del lí#ui lí#uido do ' ta$bi ta$bi)n )n con con un diagr diagra$a a$a con con las (racciones li#uida ' vapor en cada eje, todo esto a una presi"n deter$inada. 2"ra3 4 5orensen, 60178.
La (acilidad con la #ue se puede dar la separaci"n depende de #ue tan alejada se encuentre la línea de e#uilibrio a la línea de 7/? en el diagra$a y vs x .
Figura 1. Diagramas de equilibrio de fases (Górak & Sorensen, 2014
:n par&$etro i$portante en el concepto de e#uilibrio es la distribuci"n de un co$ponente en las (ases presentes, #ue se de(ine co$o la ra%"n entre las co$posiciones de cada (ase. 2-re'bal, 1@08 K i=
y i x i
:na $edida nu$)rica de la (acilidad de separaci"n es la volatilidad relativa
α AB
.
2ean3oplis, 1@@@8. α AB=
y A / x A y B / x B
5' EQUIPO MATERIALES En la pr&ctica se utili%aran distintos instru$entos para la $edici"n de los datos necesarios. • • • • • • • •
Crono$etro -er$"$etro Densí$etro
•
-orre de destilaci"n
' PROCEDIMIENTO Preparacion de la mezcla etanol-agua 20%P/P
Se almacena la mezcla en el tanque 1 y se bombea al tanque 2
Se abre la válvula de entrada del agua de enfriamiento
# los $&' Se cambia de re!u"o total parcial(
Se abre la valvula para el paso del vapor y la valvula que permite el paso del !u"o de agua condensada
se abre la valvula del tanque de almacenamiento 2 para que pase al reervidor
se reco"e el destilado de 2)0 ml midiendo simultanemamente el tiempo* la temperatutra* densidad y concentraci+n
se mide la temperatura del agua de enfriamiento
,inaliza cuando se alcanza el destilado con concetraci+n del 0% apro.(
' C3LCULOS RESULTADOS
BALANCES DE MASA ALIMENTO&
!ra""ión molar de e#anol en la alimen#a"ión$ 0.20
z =
46 0.20 46
+
0.80
= 0.0891
18
Densidad de la me%"la$
:sando la tabla de densidades de soluci"n etanolagua respecto a la te$peratura ' la co$posici"n, se tiene #ue para una co$posici"n de 60; ' 67CB ρmezcla=0.9668
g Kg = 0.9668 ml L
eso mole"ular de la me%"la a la en#rada$ PM =( 0.0891∗ 46.07 ) +( 0.9109∗18 )
PM =20.50
Kg Kmol
'asa de alimen#a"ión$ m alimento=( 40 L ) ( 0.9668
Kg ) L
m alimento=38.672 Kg de alimentacion
'oles de alimen#a"ión$ Kg ∗1 Kmol nalimento=38.672 20.50 Kg nalimento=1.89 Kmoles de alimentacion
'asa de e#anol en la alimen#a"ión$
La concentraci"n 60; p=p indica #ue ha' 60 g de alcohol en 100 3g de ali$ento, por consiguienteB 20 Kgalcohol m etanol = ∗38.672 Kg alimento 100 kgalimento
m etanol =7.734 Kg alcohol enel alimento
'oles de e#anol en la alimen#a"ión$ Kg∗1 Kmol netanol =7.734 46.07
netanol =0.168 Kmol alcoholen el alimento
'asa de agua en la alimen#a"ión$ m agua= malimento −m alcohol m agua= 30.938 Kg enel alimento
'oles de agua en la alimen#a"ión$ Kg ∗1 Kmol nagua =30.938 18 Kg nagua =1.722 Kmol de aguaen el alimento
esu$iendo se tiene #ue en 70 L de $e%cla de ali$entaci"n se tiene #ueB
ALIMENTACION Cm4ues Etanol Agua -otal Ali$entaci"n
Ms 6789
M!es 67m!9
F#$$,n 64:49
F#$$,n 6m!:m!9
.7 0.@
0.1F 1.66
0.6 0.
0.0@ 0.@11
.F6
1.@
1
1
DESTILADO& 5e recogieron $uestras de 6/0 $l de destilado durante las 16 to$as de datos en la pr&ctica de laboratorio ' al (inali%ar se obtuvo un volu$en de destilado de 60/0 $l. 2VE AGEH> 18 En total se obtuvo un destilado con las siguientes característicasB V totalde destilado =5.05 L
ρdestilado final =0.823
Kg L
Entonces, 'asa de des#ilado L∗0.823 Kg destilado m destilado= 5.05 1 L m destilado= 4.156 Kg de destilado
'asa de e#anol en el des#ilado
La concentraci"n (inal del destilado es de /.7 ;<=<, seg*n la tabla de densidades con respecto a la te$peratura ' la concentraci"n.
'oles de e#anol en el des#ilado netanol =3.574
Kg∗ Kmol 46.07 Kg
netanol =0.078 Kmol alcoholen el destilado
'asa de agua en el des#ilado$ m agua= mdestilado−metanol m agua= 0.582 Kg deagua en eldestilado
'oles de agua en el des#ilado$
nagua =0.582
Kg ∗1 Kmol 18 Kg
nagua =0.0323 Kmolesde agua enel destilado
A $odo de resu$en la corriente de destilado tiene las siguientes característicasB
DESTILADO Cm4ues Etanol Agua -otal Destilado
Ms 6789
M!es 67m!9
F#$$,;n 64:49
F#$$,n 6m!:m!9
./7 0./6 7.1/F
0.0 0.06 0.110
0.F 0.17 1
0.1 0.6@ 1
FONDO& 'asa #o#al en el fondo
'asa de e#anol en el fondo
X f =
malimento X a−m destilado X D m fondos
X f =
( 38.672 kg∗0,2 )−( 4.156 kg∗0.86 ) 34.516 kg
X f =0.121 m etanol =34.516 kgfondo∗ 0.121 m etanol = 4.176 Kg alcoholenel fondo
'oles de e#anol en el fondo$ netanol =4.176
Kg∗ Kmol 46.07 Kg
netanol =0.091 Kmol alcoholenel fondo
'asa de agua en el fondo$ m agua= mfondo−metanol m agua= 30.34 Kgde aguaen el fondo
'oles de agua en el fondo$ nagua =30.34
Kg∗1 Kmol 18 Kg
nagua =1.686 Kmoles deaguaen el fondo
A $odo de resu$en la corriente de (ondo tiene las siguientes característicasB
FONDO Cm4ues Etanol Agua -otal ondo
Ms 6789
M!es 67m!9
F#$$,;n 64:49
F#$$,n 6m!:m!9
7.1F 0.7 7./1F
0.0@1 1.FF 1.
0.161 0.@ 1
0.0/6 0.@7 1
An
% P/P 0 $) $0 ) 0(000
20(000
0(000
0(000
0(000
100(000 120(000
iempo minutos3
Grafico 1. ambio de la "on"en#ra"ión de e#anol res)e"#o al #iem)o
+ediante el ra(ico 1. se observa #ue la concentraci"n inicial$ente tuvo un ligero ca$bio debido a las variaciones #ue inicial$ente se le reali%aron al siste$a. Luego de las variaciones la concentraci"n de etanol au$ento al $anejarse un re(lujo en proporci"n B1 ' $anteniendo la te$peratura constante a C. Asi$is$o, se observa #ue la concentraci"n del destilado au$enta de gor$a gradual hasta llegar a una concentraci"n del destilado con concentraci"n constante de /./ ;<=< a los F $inutos hasta los / $inutos totales, esto debido a #ue las variables del proceso se $antuvieron constantes.
RENDIMIENTO DEL PROCESO DE DESTILACIÓN
endimiento =
endimiento =
m destilado∗ X D m alimento∗ X a
∗100
4.156 kg∗0.86 38.672 Kg∗0.2
endimiento = 46.211
BALANCES DE ENERGÍA
∗100
CONDENSADOR& *alan"e %ona de enrique"imien#o
La no$enclatura de las corrientes usada en el balance energ)tico para la %ona de enri#ueci$iento se $uestra la (igura 6.
Figura 2. +ona de enrique"imien#o de la "olumna de des#ila"ión (u#ores
El balance energ)tico en esta %ona esB V 1 ! 1= L h L + D h D + "# ( 1 )
Donde, h L= h D ( 2)
Entonces el balance podría rescribirse asíB V 1 ! 1=V 1 h D + "# ⟹ " # =V 1 ! 1−V 1 h D
45
5e puede establecer una relaci"n entre las corrientes L ' D $ediante el re(lujo , el cual est& dado porB L = ( 5 ) D
Entonces, L= ∗ D ( 6 )
El valor de puede obtenerse a partir de los niveles $arcados por los rot&$etros, los cuales (ueron 70 para el destilado ' 10 para el re(lujo. +ediante la tabla de calibraci"n proporcionada durante la pr&ctica se deter$ina #ue corresponde a un valor de .
La entalpía del destilado esta descrita porB h D= D∗#$ D∗( % D −% ef ) ( 7 ) ',
#$ D =#$ agua X agua + #$etanol X etanol ( 8 )
Los valores de capacidad calorí(ica para el etanol ' el agua sonB
/kg K 24657 (1$ /kg K 4657 2(2 ee$pla%ando se obtieneB #$ D =4.187
K& K& ∗0.14 + 2.426 ∗0.86 kgK kgK
#$ D =2.673
K& kgK
La te$peratura del destilado (ue en pro$edio 6F.C K 6@@./ ' se to$" co$o re(erencia 0CK6.1/.
h D= 4.156 kg∗2.673
K& ∗( 299.85 K −273.15 K ) kgK
h D=296.609 k&
La entalpía de la $e%cla est& descrita porB ! 1=V 1∗#$1∗( % 1− % ef ) + ' 1( 9 )
#$1=#$ D =2.673
K& kgK '1= 'agua X agua + ' etanol X etanol
2108
Los valores de calor de vapori%aci"n para el etanol ' el agua sonB
/kg 27 22)( 7 2(01 /kg
K& K& ∗0.14 + 842.041 ∗0.86 kg kg
'1=1039.847
K& kg
e$pla%ando en la ecuaci"n 2@8 se obtiene, ! 1=16.624 kg∗(2.673
K& K& ∗( 299.85 K −273.15 K ) +1039.847 ) kgK kg
! 1=18472.856 k&
" # =18176.241 k&
RE=ERVIDOR&
En donde, " va$o( = m va$o( condensado∗ ' ! 2 ) 68B
V va$o( condensado = 0.0191 m ρagua =1000
3
Kg m
3
Entonces, 'asa de va)or "ondensado 3 m ∗1000 Kg m va$o( condensado = 0.0191 3 1m m va$o( condensado =19.1 Kg
Entonces el calor trans(erido por el vapor a la $e%cla etanolagua esB " va$o( =19.1 Kg∗−2254.94 k& / kg " va$o( =−43069.354 k& " (= 43069.354 k&
BALANCE GLOBAL DE ENERGÍA& eali%a$os el respectivo balance globalB
A* halim = D*h D + +* h+ + "c −"
La entalpia de ali$entaci"n esB h f =#$f ∗( % , −% ef )
Entonces pri$ero halla$os Cp( ' luego tendre$os la entalpia
#$ , =#$agua∗( 1− X f ) + #$etanol∗ X f #$f =4.18∗( 1−0.121 ) + 2.4263 ∗0.121
#$f =3.9678
k& kg K
La te$peratura del destilado (ue en pro$edio 6F.C K 6@@./ ' se to$" co$o re(erencia 0CK6.1/ h f =3.6787
k& k& ∗26.7 K =105.94 kg K kg
La entalpia de los (ondos te"rica$ente es
h- =240.5
k& kg teniendo
5e calcul" previa$ente la entalpia del destilado hdK 296.609 k& D* h D + +* h+ + " c −" − , ∗h f = 4.156 Kg∗296.6
K& K& + 34.516 kg∗240.5 + 18176.241 k& −43069.354 k& −38. kg kg
EFICIENCIA ENERG>TICA DE LA TORRE
La e(iciencia energ)tica se deprende del calor su$inistrado ' el calor aprovechado.
C!# sum,n,s#.& El calor su$inistrado #ue ingresa al siste$a al calor #ue proporciona la caldera, es "va$o( = 43069.354 k& decir
C!# 4#%e$?.& El calor aprovechado corresponde al calor #ue utili%a la torre para calentar la ali$entaci"n ' alcan%ar las condiciones #ue per$iten la destilaci"n deseada. " A = , ∗# $f ∗( % o$−% f ) + V 1∗ ' D
' D= 'etanol X D + ' agua∗( 1− X D ) =842.041
K& k& k& ∗0.86 + 2254.94 ∗(1 −0.86 ) =1039.85 kg kg kg
ecordando #ue se había hallado previa$ente #$f =#$agua∗( 1− X f ) +#$etanol ∗ X f =#$ f =3.9678
" A =38.672 kg∗3.9678
#$f
B
k& kg K
k& k& ∗( 76 . # −24 . # ) + 16.624 kg∗1039.85 kg K kg
" A =25265.89 k&
-eniendo los valores de calor su$inistrado ' calor aprovechado, halla$os la e(iciencia energ)tica asíB n=
#alo( a$(ovechado 25265.89 k& ∗100 = ∗100=58.66 43069.354 k& #alo( suminist(ado
5e observa una e(iciencia baja, teniendo en cuenta #ue las e(iciencias deben ser superiores al 0;
NUMERO DE ETAPAS&
-o$ando los siguientes datos para la recta de enri#ueci$iento. x D =0,7236 =3
La (racci"n de destilado result" de un pro$edio de las cuatro *lti$as $ediciones de concentraci"n $&sica #ue posterior$ente se convirti" a $olar de alcohol en la $e%cla del destilado (inal #ue se $idi" gracias al densí$etro. fracion Tom Concentra masica a cion %P/P alcohol
1 2 8 ) $ 10 11 12
$*2 $*8 $$*2 $*2 0*) 1*82 8* )*8 )*82 )*82 * $*2
0*$2 0*$8 0*$$2 0*$2 0*0) 0*182 0*8 0*)8 0*)82 0*)82 0* 0*$2
fraccion molar
0*)81 0*))$0)8 0*)$081$ 0*)2)18) 0*2)8)$ 0*8010)8$ 0*28 0*$08211 0,694587163 0,694587163 0,778081033 0,7705337
Promedio 4 últimos datos 0,73615174
ecta de enri#ueci$ientoB y =
x ∗ x + D + 1 + 1
ee$pla%ando los valores 3
y = ∗ x + 0.1809 4
Ahora con la a'uda de la gr&(ica del e#uilibrio de etanol en agua ' la línea
y = x .
1 0( 0( 0($ 0( 0()
9q 9t:;-;2:
y7.
6inea 9nrriquecimiento
0( 0(8 0(2 0(1 0
0
0(1
0(2
0(8
0(
0()
0(
0($
0(
0(
1
Ahora con el $etodo gra(ico de +cCabe-hiele se halla las etapas te"ricas de e#uilibrio para llegar a la co$posici"n deseada del destilado. 5e e$pie%a con un tra'ecto vertical z , desde el punto de hasta #ue se encuentre la curva de e#uilibrio, luego desde ese punto se despla%a hori%ontal$ente hasta la recta de enri#ueci$iento, allí tene$os una x D etapa, el procedi$iento sigue hasta llegar a .
1 0( 0( 0($ 0( 0() 0( 0(8 0(2 0(1 0
0
0(1
0(2
0(8
0(
0()
0(
0($
0(
0(
1
Co$o resultado se obtiene una aproMi$aci"n de 7 etapas ideales para lograr el destilado deseado.
@' CONCLUSIONES La relaci"n de re(lujo a(ecta directa$ente la co$posici"n de alcohol en el destilado, co$o sugiere la teoría ' se co$prob" con este laboratorio Cuando la relaci"n de re(lujo es un par&$etro constante, el ca$bio de la co$posici"n en el rehervidor har& #ue la co$posici"n del destilado varíe con el tie$po. 5e co$prob" #ue el uso del diagra$a es una herra$ienta *til para predecir el co$porta$iento #ue tendr& el proceso de destilaci"n ' así saber #ue resultado de destilaci"n se lograra al (inal de la separaci"n 5e evidencio #ue ha' una gran p)rdida energ)tica ' esto se ve re(lejado en la e(iciencia de la torre #ue no supera el F0;, au$entando costos de servicios industriales.
BIBLIOGRAFÍA ean3oplis, C. J. 21@@@8. ro"esos de #rasn)or#e y o)era"iones uni#arias- +eMico D..B Cecsa.
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ANEOS ANEO 1' Datos to$ados del Destilado Tm
T,em4
Tem4e#u#
Dens,..
Cn$en#$,
V!umen
1 6 7 / F @ 10 11 16
s
6C9
68:m!9
n 64:49
6 m! 9
P 7PP P 0PP P 11PP P 16PP P /PP P 7PP P PP P @PP P 7PP P PP P /PP P 70PP
6 6F 6 6F./ 6 6 6F./ 6/./ 6 6 6 6
0.7 0.7 0.7/ 0.76 0./ 0.7 0. 0.67 0.67 0.67 0.16 0.6
@.6 F.@ .67 .6F 0.@/ 1.6 .7 /. /.6 /.6 @.@F .6
6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 6/0 60/0 /0/0
F,n! TOTAL La te$peratura pro$edio a la salida del destilado (ue de 6F.0C
ANEO 2' Datos to$ados del vapor condensado en el rehervidor. T,em4
V!umen 6 L9
Tem4e#u# 6C9
6/P FPP 6 7P 70PP 6 /P PP FF 0@P /PP 7
F F F 1.1 [email protected]
0 ./ /
T!
