Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias I ndustrias Extractivas DEPARTAMENT DE IN!ENIERIA Q"IMI#A IND"STRIA$
$A%RATRI DE INTRD"##IN A $S PR#ESS DE SEPARA#I&N
PRÁCTICA 3: DESTI$A#I&N DI'EREN#IA$ DE "NA ME(#$A %INARIA R(# RE)ES *A(MIN ADI$ENI Equipo: + Grupo: +IM,-
%*ETI. Llevar a cabo la destilación de una mecla binaria! en el destilador di"erencial a presión constante! comparando resultados e#perimentales con los teóricos para determinar el rendimiento de destilación por este m$todo%
'"NDAMENT TERI# DESTI$A#I&N/ Proceso que consiste en calentar un l&quido 'asta que sus componentes m(s vol(tiles pasan a la "ase de vapor )! a continuación! en"riar el vapor para recuperar dic'os componentes en "orma l&quida por medio de la condensación% El ob*etivo principal de la destilación es separar una mecla de varios componentes aprovec'ando sus distintas volatilidades! o bien separar los materiales vol(tiles de los no vol(tiles% En la evaporación ) en el secado! normalmente el ob*etivo es obtener el componente menos vol(til+ el componente m(s vol(til! casi siempre a,ua! se desec'a% -in embar,o! la .nalidad principal de la destilación es obtener el componente m(s vol(til en "orma pura% Por e*emplo! la eliminación del a,ua de la ,licerina evaporando el a,ua! se llama evaporación! pero la eliminación del a,ua del alco'ol evaporando el alco'ol se llama destilación! aunque se usan mecanismos similares en ambos casos%
DESTI$A#IN DI'EREN#IA$ •
• •
•
•
• • •
Es una /peración discontinua 0el material se car,a en el equipo ) el vapor ,enerado se retira en "orma continua1% Tambi$n llamada: 2estilación simple por lotes! destilación por car,as% -e realia en una sola etapa! mediante calentamiento lento ) no presenta reu*o% Los vapores se e#traen con la misma velocidad con que se "orman 0no 'a) acumulación1 ) se condensan 0destilado l&quido1% -e admite que las composiciones del vapor ,enerado 0)1 ) del l&quido remanente 0#1 se 'allan en estado de equilibrio% 4o se alcana el estado estacionario% Composición del l&quido remanente var&a con el tiempo% Tiene lu,ar un aumento de la temperatura del sistema%
•
En el l&quido remanente! disminu)e la cantidad del componente de menor temperatura de ebullición! con"orme avana la destilación% El vapor que sale en cualquier momento! est( en equilibrio con el l&quido! de manera que tanto la composición como el punto de ebullición de $ste 5ltimo var&an continuamente durante la operación% Para el caso de una mecla binaria! la relación entre la cantidad de l&quido inicial ) el l&quido al .nal de la destilación ! viene dada por la ecuación de Lord Ra)lei,'! la cual resulta de e"ectuar un balance de materia en el proceso: sea una mecla de dos componentes solubles! desi,nemos por L al n5mero total de moles de la misma! por # a la "racción mol del componente m(s vol(til del l&quido ) por ) a la "racción molar del mismo componente en el vapor de equilibrio con el l&quido ori,inal% -ean L d las moles que 'a) que vaporiar+ el l&quido perder( una cantidad di"erencial del componente m(s vol(til ) el vapor lo ,anar(% −dL=dV −d ( Lx )=dVy xdL + Ldx =− ydV xdL + Ldx =− ydL
Al establecer l&mites% L67 ) #6#7 W
∫ F
F
dL = dx L x y − x
∫ F
La ecuación anterior es inte,rada cuando e#iste cierta "uncionalidad de ) con respecto de #! cuando esto no es posible! la inte,ración se 'ace ,r(.camente a partir de datos de equilibrio de la mecla%
Los c(lculos de se vuelven sencillos ecuación de que se utilia para cu)a volatilidad constante%
destilación di"erencial cuando se aplica la Ra)lei,' simpli.cada! soluciones ideales relativa es
√( )( )
F α −1 x f = W x w
1− x w
α
1− x f
2onde x f = Composici ó n deliquido enla aimentaci ó n x w =Composició n deliquidoen elresiduo
MATERIA$ "TI$I(AD
2estilador con c'aqueta de calentamiento! nivel de tubo de vidrio ) v(lvula de se,uridad Tanque de almacenamiento de la mecla inicial con nivel de tubo de vidrio Tanques receptores de producto destilado con niveles de volumen de vidrio Tanque receptor de residuo 8otor de bomba para alimentar la mecla En"riadores de serpent&n 8anómetros Rot(metros 9(lvula reductora de presión de vapor de calentamiento
TA%$AS DE DATS E0PERIMENTA$ES
PRESI&N DE TRA%A* 1233 TINI#IA$ T'INA$
Kg 2
cm
,34# 514# 6(7cm8
9 g:cm+
;
Alimentaci
3;
<%=>;
;<
.olumen 7m$8 ;?<<<
Destilado
;%@
<%=?
@>
=?<<
Residuo
>%;
<%=??
;
B?@<<
.apor de caldera condensad o
%=
#=$#"$S #am>io de porciento peso a porciento mol2 PM C H H =32 3
Kg Kmol
PM H 2 =18
´ F ! PM "
´ F = !
´ F !
+
PM "
´ $= !
Kg Kmol
´ F ) ( 1− !
0.20
=
´ $ ( 1− ! $ ) ! + PM " PM # ´ W ! PM " ´ W ! PM "
+
0.20 32
PM #
´ $ ! PM "
´ W = !
32
( 1 − ! ´ W ) PM #
+
− 0.20
1
= 0.1232
18
0.56
=
32 0.56 32
+
1
−0.56
=0.4172
18
0.28
=
32 0.28 32
+
1
−0.28
=0.168
18
%A$AN#E DE MATERIA$ES
F = $ + W ( Kmol )
V ∗ % ¿ ¿ ´ F =¿
V ∗ %
¿ ¿ ´ $=¿
V ∗ % ¿ ¿ ´ W = ¿
´ ∗ ! ´ F F ´ ∗(1 − ! ´ F ) F F = + PM " PM #
F =
(23.088 Kg)( 0.1232 ) ( 23.088 Kg )( 1−0.1232 ) + =1.2134 K mol 32
18
$=
´ ∗( 1− ! ´ $ ) ´ ∗ ! $ $ + PM " PM #
$=
( 8.4036 Kg )( 0.4172 ) (8.4036 Kg )( 1−0.4172 ) + =0.3816 K mol 32
18
W =
´ ∗( 1− ! ´ W ) ´ ∗ ! ´ W W W + PM " PM #
W =
(13.688 Kg )( 0.168 ) ( 13.688 Kg )( 1−0.168 ) + =0.4277 K mol 32
18
Relaci
A*uste de D: W = F − $ =( 1.2134 − 0.3816 ) K mol= 0.8318 K mol
$ W 0.8318 K mol =1 − = 1− =0.314 Kmol ( experimental ) 1.2134 K mol F F
En base a composiciones
$ ! W − ! F 0.168− 0.1232 = = =0.1794 &mol F ! $ − ! W 0.4172−0.168
'rror =
0.314
−0.1794
0.314
∗100 =42.95
Relaci
t m=
(
+
80 65 2
)=
α =
[
(
PCH 3 H (
P H 2
]
tm
72.5 ℃
(
PCH 2 H =214.17 mmHg (
P H 2 = 878.92 mmHg
α =
17.0002 psia 4.1425 psia
= 4.103
√( )( )
F ∝−1 !F = W !w
− !w ∝ F = = 1 − !F $ 1
√
4.10384− 1
0.123288 0.168
[
−0.168 1 −0.123288 1
]
4.10384
=0.844587
#omparaci
F ! $ − ! W 0.4172− 0.168 = = =0.847 W ! $− ! 0.4172− 0.1232
Pérdidas de #alor )= $∗ H $ + W ∗ H W − F ∗ H F )= M V ∗ * + F ∗ H F + 80 ℃
´ =0.64 C P"
Kcal Kg ℃
´ P#=1 C
Kcal Kg ℃
* " =268.2
Kcal Kg
* #=556.1
%alance de calor •
Entalpia de alimentación :
[
]
´ CH H - ! F - PM CH H + Cp ´ H - ( 1− ! F ) - PM H - [ . F −. /'F ] , LF = Cp
[
, LF =
0.64
3
3
2
Kcal ∗0.1232∗32 + 1 ( 1−0.1232 )∗18 Kmol K
2
](
−0 )=457.644
25
&cal &g
Entalpia del residuo:
[
]
´ ´ , LW = Cp CH H - ! w - PM CH H + Cp H - ( 1− ! w ) - PM H - [ . w − . /'F ] 3
3
2
2
Kcal Kg
, LW =( 0.64∗0.168∗32 + 1∗( 1−0.168 )∗18 )∗( 80−0 )=1325.998
&cal &g
Entalpia del destilado:
[
]
[
]
´ ´ , L$ = Cp CH H - ! $ - PM CH H + Cp H - ( 1 − ! $ ) - PM H - [ . media −. /'F ] + *CH H - ! $∗ PM CH H + * H - ( 1− ! $ ) ∗ PM H 3
3
2
2
3
3
2
3
, L$ =(0.64∗0.4172∗32 + 1∗( 1 −0.4172 )∗18 )¿( 72.5− 0)+(268.2∗0.4172 0∗32+ 556.1∗(1 −0.4172∗32 ))=1
Calor absorbido El calor absorbido será: |¿|= ,
∗ ! $ + , LW ∗ ! w −, LF ∗ ! F
L$
)¿
|¿|=15188.7∗0.4172 + 1325.998∗0.168− 457.664∗0.1232=6503.11 Kcal
)¿
Calor suministrado: El calor suministrado será:
∑ ¿= M * V
V
+ F ¿ H F
)¿
Donde el gasto másico de vapor es: M V =
() 1 4
2
()
$ 2 3 % =
1 4
( 0.38 ) ( 0.089 ) 2
(
998.08
Kg 3
m
)=
10.0742 Kg
(
)
∑ ¿=( 10.0742 Kg ) 539 Kcal Kg
+ ( 23.088 Kg )
(
457.65
)
Kcal =15996.2 Kcal Kg
)¿
Calor perdido: El calor perdido será:
)p =)sum − )a4s=15996.2− 6503.11=9493.11 Kcal
A#TI.IDAD #MP$EMENTARIA a8 $imitaciones para emplear la destilaci
Las temperaturas de ebullición de las soluciones de la mecla no deben de ser cercanas pues si lo es! no ser( posible emplear esta operación unitaria! )a que a 8a)or di"erencia de volatilidad! me*or separación conse,uida%
>8 cuBndo es recomenda>le utiliCar la destilaci
Cuando se cuenta con un calentamiento lento ) la mecla no debe de tener reu*o% c8 ué modiFcaciones recomendaría para controlar el proceso utiliCando solamente agua de condensaci
Tener mu) bien controlada la presión! )a que es de suma importancia traba*ar a una presión o temperatura constante% d8 aplicaciones de la destilaci
e8 >serve ue se puede Gacer un proceso semicontinuo La destilación simple! abierta o di"erencial es una operación intermitente en la que la mecla a destilarse car,a en la caldera! donde se suministra el calor necesario para llevarla a su temperatura de burbu*a%
#N#$"SI&N Es de suma importancia conocer los distintos tipos de operaciones de separación que se utilian en la industria ) una de ellas es la destilación di"erencial la cual nos permite 'acer una separación de una mecla de dos sustancias en base a sus puntos de ebullición ) de su volatilidad manteniendo la presión del sistema constante%
Las temperaturas a las que ten,amos nuestro destilado deben de mantenerse en una temperatura ba*a por e*emplo a temperatura ambiente esto nos permite 'acer una correcta medición de la densidad ) no tener el error por temperatura% La construcción de la ,r(.ca de equilibrio nos sirve de manera que podemos ubicar las distintas composiciones que tenemos tanto en el destilado como en la solución inicial )a que con esto podemos conocer las temperaturas en las distintas "ases que podamos tener dentro del equipo% Es importante mantener un correcto "uncionamiento en nuestro sistema de condensación )a que si no es as& nuestro destilado saldr( a una temperatura m(s alta lo cual nos puede causar un error al sacar la densidad% -e obtuvo una e.ciencia aceptable )a que tenemos que considerar que se tuvieron al,unas "u,as en el equipo% El vapor que se alimenta al calentador se debe de controlar de manera constante )a que si no se 'ace de esa manera se puede provocar un aumento mu) r(pido en la temperatura de la solución dentro del calentador esto provocar&a un aumento en la presión del sistema ) nuestra destilación se llevar&a de manera inadecuada%
DIA!RAMA DE$ EQ"IP DE DESTI$A#I&N DI'EREN#IA$
