destilación de una mezcla de etanol-agua - FCQ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA
Facultad de Ciencias Químicas
Operaciones Unitarias II
Práctica de Laboratorio
“DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA DE ETANOL-AGUA”
Profesor.- Dr. Iván Salmerón
Integrantes:
Samantha Itzel Alba Bencomo
245448
Priscilla Ivette Escobedo
245389
Gladis Patricia Mendoza Aragón
245562
Paola Alejandra Olivas Hernández 245379
Mónica Georgina Ortega Núñez
245537
Grupo:
7°E
Fecha de entrega:
01-Diciembre-2013
ÍNDICE
RESUMEN……………………………………...………………………………………2
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………2
MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………3
OBJETIVO……………………………………………………………………………..4
DESARROLLO EXPERIMENTAL….……………………………………………….5
RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………………………………...6
CONCLUSIÓN………………………………………………………………………..10
BIBLIOGRAFÍA.……………………………………………………………………..10
ANEXOS………………………………………………………………………………11
1
RESUMEN
Se llevó a cabo la evaluación del efecto que tiene el incremento de la
temperatura de ebullición en la concentración del producto de cabeza y cola
mediante el equipo de la torre de destilación, para ello se elaboró una curva de
calibración con soluciones de etanol agua a diferente porcentaje en moles,
midiendo el índice de refracción, la misma medición se realizó con la solución
del bote de residuos y se determinó la fracción mol de etanol del mismo,
después se preparó la solución de agua y de etanol a partir de residuos. Se
introdujo en el calderín y se procedió a iniciar el proceso de destilación. Este
procedimiento se operó a una relación de reflujo 1:1, tomándose muestras
cada 10 minutos.
INTRODUCCIÓN
El objetivo principal es conocer el rendimiento del equipo de destilación
en la separación de etanol-agua con la ayuda de una curva de destilación
realizada con un refractómetro en concentraciones variadas etanol-agua y
determinar de forma practica el comportamiento de dicha mezcla. Se realizó en
el laboratorio de ingeniería química de la Facultad de Ciencias Químicas de la
UACH. Se empezó por realizar la curva de destilación con soluciones
calibradas de etanol-agua para después empezar la corrida de la solución de 8
litros, concentración de 29% molar etanol, midiendo como principal variable
cada determinado tiempo su concentración.
2
MARCO TEÓRICO
El proceso de la destilación consiste en calentar un líquido hasta que
sus componentes más volátiles pasen a fase vapor y, posteriormente, enfriar el
vapor hasta recuperar estos componentes en forma líquida mediante un
proceso de condensación.
Una mezcla de dos líquidos miscibles destila a una temperatura que no
coincide con las temperaturas de ebullición de los dos líquidos componentes de
la mezcla. Esta temperatura puede ser intermedia entra las dos, superior o
inferior. El vapor que se desprende no tiene la composición del líquido original,
sino que es más rico en el volátil (Angurell, I. et al., S.F).
En la mezcla simple de dos líquidos solubles entre sí, la volatilidad de cada uno
es perturbada por la presencia del otro. En este caso, el punto de ebullición de
una mezcla al 50%, por ejemplo, estaría a mitad de camino entre los puntos de
ebullición de las sustancias puras, y el grado de separación producido por una
destilación individual dependería solamente de la presión de vapor, o
volatilidad de los componentes separados a esa temperatura.
Esta sencilla relación fue anunciada por vez primera por el químico francés
François Marie Raoult (1830-1901) y se llama ley de Raoult. Esta ley sólo se
aplica a mezclas de líquidos muy similares en su estructura química, como el
benceno y el tolueno. En la mayoría de los casos se producen amplias
desviaciones de esta ley. Si un componente sólo es ligeramente soluble en el
otro, su volatilidad aumenta anormalmente.
En el ejemplo anterior, la volatilidad del alcohol en disolución acuosa
diluida es varias veces mayor que la predicha por la ley de Raoult. En
disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviación es aún mayor: la
destilación de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol.
Por esta razón el alcohol no puede ser concentrado por destilación más de un
97%, aunque se realice un número infinito de destilaciones (Wark K., 2001).
La destilación se utiliza ampliamente en la obtención de bebidas
alcohólicas, en el refinado del petróleo, en procesos de obtención de productos
petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos de la industria. Es uno
de los procesos de separación más extendidos (Angurell, I., et. al., S.F).
3
Otros métodos utilizados son: la destilación azeotrópica en una mezcla con
benceno o ciclohexano. De estas mezclas se destila a temperaturas más bajas
el azeótropo, formado por el disolvente auxiliar con el agua, mientras que el
etanol se queda retenido. Otro método de purificación muy utilizado
actualmente es la absorción física mediante tamices moleculares a escala de
laboratorio también se pueden utilizar disecantes como el magnesio, que
reacciona con el agua formando hidrógeno y óxido de magnesio (TIPPENS,
2001).
OBJETIVO
Evaluar el efecto del incremento de la temperatura de ebullición en la
concentración del producto de cabeza y cola.
4
DESARROLLO EXPERIMENTAL
-
Construcción de Curva de Calibración:
1. Se prepararon soluciones de % mol etanol (en H20) en los siguientes
rangos: 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0.
2. Se midió el índice de refracción utilizando el refractómetro CARL
ZEISS.
3. Se construyó una curva de Calibración con los índices de refracción
correspondientes a cada concentración
-
Preparación de muestra:
1. Del bote de residuos se midió el índice de refracción y con el mismo
se determinó la fracción mol de etanol.
-
Calderín (Reboiler):
1. Se introdujo la solución en el Calderín de un destilador Armfield
UOP3 con el apoyo de un embudo.
2. Según la curva de concentración-Tebullicion se determinó la
temperatura de ebullición de la mezcla a esa concentración.
3. Se seleccionó las temperaturas de los platos superior e inferior de la
torre mediante la computadora.
4. Al momento de la formación de vapor y formación de condensado
del producto de cabeza se encendió la bomba de reflujo.
-
Relación de Reflujo:
1. Se operó una relación de reflujo 1:1 controlado con la computadora.
-
Toma de muestras:
1. Una vez alcanzadas las condiciones de operación estables en la
columna de destilación, se tomaron muestras del producto de cabeza
y cola cada 10 min
hasta acumular 6 lecturas (50 min).
Posteriormente se incrementó la temperatura 2ºC hasta alcanzar
condiciones estables y se repitió el paso anterior.
5
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con las mediciones de las soluciones patrón se obtuvo una curva de
calibración para determinar el porcentaje de etanol en el agua mediante el
índice de refracción (ver Gráfica 1).
Curva de calibración de etanolagua
1.37
y = -6E-06x2 + 0.0009x + 1.3347
R² = 0.9818
Índice de refracción
1.365
1.36
1.355
1.35
Series1
1.345
Poly. (Series1)
1.34
1.335
1.33
0
50
100
% mol de etanol
150
Gráfica 1. Curva de calibración de soluciones patrón de etanol-agua
La curva de calibración no muestra una linealidad total en concentraciones
molares altas de etanol debido a que la mezcla forma una azeótropo y se
comporta de diferente manera, lo que hace que el índice de refracción no suba
lo esperado, como lo indicaría la ley de Beer. El valor de la solución con un
30% de etanol fue descartado por no acercarse al comportamiento esperado.
Con la ecuación obtenida de la curva de calibración se determinó que la
solución inicial tenía 13.8% mol de etanol, además de que se obtuvieron las
concentraciones de las muestras tomadas en porcentaje mol mostradas en las
Tablas 1 para la primer corrida, donde la relación de reflujo fue de 1:1., con
diferentes temperaturas de trabajo.
Las temperaturas empleadas en el destilador deben ser menores a la
temperatura de ebullición de la mezcla utilizada para mayor concentración de
etanol, parámetro que se consideró para la selección de las temperaturas.
6
Tabla 1. Corrida uno de la destilación flash
Temperatura del Calderín:
88 °C
Composición del producto de cabeza (XD)
0.54
Tiempo I: 0 min
0.532
Tiempo II: 10 min
0.538
Tiempo III: 20 min
0.544
Tiempo IV: 30 min
0.544
Tiempo V: 40 min
0.642
Tiempo VI: 50 min
Composición del producto de cola (XB)
0.86
Tiempo I: 0 min
0.848
Tiempo II: 10 min
0.779
Tiempo III: 20 min
0.736
Tiempo IV: 30 min
0.638
Tiempo V: 40 min
0.554
Tiempo VI: 50 min
Temperatura en la parte superior de 75 °C
la columna:
Temperatura en la parte inferior de la 80 °C
columna:
Temperatura promedio de operación 77.5 °C
de columna:
7
En la tabla 2 se muestran las concentraciones obtenidas durante la
segunda corrida de destilación, donde se aumentó la temperatura de trabajo
dos grados centígrados.
Tabla 2. Corrida dos de la destilación flash
Temperatura del Calderín:
90 °C
Composición del producto de cabeza (XD)
0.528
Tiempo I: 0 min
0.54
Tiempo II: 10 min
0.544
Tiempo III: 20 min
0.544
Tiempo IV: 30 min
0.595
Tiempo V: 40 min
0.595
Tiempo VI: 50 min
Composición del producto de cola (XB)
0.506
Tiempo I: 0 min
0.482
Tiempo II: 10 min
0.394
Tiempo III: 20 min
0.435
Tiempo IV: 30 min
0.376
Tiempo V: 40 min
0.376
Tiempo VI: 50 min
Temperatura en la parte superior de 85 °C
la columna:
Temperatura en la parte inferior de la 82 °C
columna:
Temperatura promedio de operación 82.5 °C
de columna:
Como se muestra en las tablas anteriores y en las gráficas 2 y 3, la
concentración mol en la cabeza aumenta conforme transcurre el tiempo y la de
la cola disminuye, debido a que la destilación se opera con un reflujo con
concentración variable.
8
En la gráfica dos se muestra el aumento de concentración mol en la
cabeza y cola de la columna conforme transcurre el tiempo para la corrida 1.
Corrida uno de destilación
100
80
% mol etanol
60
40
Cola
20
Cabeza
0
0
20
40
Tiempo min
60
Gráfica 2. Cambio de concentración en la primer corrida de destilación
La grafica 3 representa los mismos parámetros de la grafica 2, pero con
los valores obtenidos en la corrida 2.
Corrida dos de destilación
70
60
50
40
% mol etanol
30
20
10
0
Cola
Cabeza
0
20
40
Tiempo min
60
Gráfica 3. Cambio de concentración en la segunda corrida de destilación
La temperatura a la cual se mantuvo el destilador fue de 77.5°C y 82.5°C.
Fue determinada mediante el uso de un a grafica de puntos de ebullición de la
mezcla etanol/agua (Ver anexo A), la cual muestra el cambio de temperatura
con respecto a la concentración P/P de etanol, la temperatura de ebullición de
la mezcla agua-etanol a una concentración de 29% peso (13.8% mol), es de
85°C aproximadamente.
9
CONCLUSIÓN
El índice de refracción del producto de cabeza aumentó, indicador de que
se incrementó la concentración de etanol, por lo que se considera exitosa la
operación.
La eficiencia en la destilación de una mezcla de agua y etanol, es
dependiente de la temperatura y de las concentraciones de la solución. La
concentración inicial era de 29% peso y al final del proceso se obtuvo un una
concentración del 78.94% peso en el destilado, observándose una disminución
en la concentración de agua, y en el calderín se obtuvo una concentración del
9.08% lo que implica una disminución en la concentración de etanol. La
temperatura de ebullición de la mezcla etanol final fue de 92° aproximadamente
(4)
. Estos valores están dados a nivel del mar, por lo que es de esperarse que la
Teb sea menor en la ciudad de Chihuahua.
Es importante aumentar la temperatura de operación en el tiempo porque
conforme disminuye el porcentaje de etanol en el calderín, la mezcla resultante
tiene una temperatura de ebullición mayor debido a que no es una destilación
continua.
BIBLIOGRAFÍA
1. Angurell, I., et al.,(S.F), Operaciones Básicas en el Laboratorio de
Química, Tema 10 Destilación, Universidad de Barcelona, Consultado el
01-diciembre-2013,
disponible
en:
http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/destilacio.html
2. KENNETH WARK – DONALD E. RICHARDS, (2001) Termodinámica,
Madrid, Editorial McGraw Hill. Sexta Edición.
3. TIPPENS, (2001). Física Básica, Madrid, Editorial McGraw Hill. Sexta
Edición.
4. Helbing, W. Burkart, A. (1985). Tablas Químicas para Laboratorios e
Industrias. Mezclas liquido-Liquido. Editorial Reverté, sa. Alemania. Pg:
130.
Disponible
en:
http://books.google.com.mx/books?id=6ab6mRHGnLkC&pg=PR4IA90&lpg=PR4IA90&dq=tabla+ebullicion+mezcla+etanol+y+agua&source=bl&ots=Nflwj
QJIgN&sig=QGutwQYLxaeR3uYqWDFw8OqrSiU&hl=es419&sa=X&ei=qQmcUvzrF4bsoATHioK4CA&ved=0CCsQ6AEwAA#v=on
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epage&q=tabla%20ebullicion%20mezcla%20etanol%20y%20agua&f=fal
se.
ANEXOS
Para la determinación de la temperatura del destilador se empleó una
tabla de Temperatura/Concentración en peso de etanol en mezcla etanol-agua
(ver Gráfica 4). Para la utilización de la Tabla, fue necesario hacer cálculos
para convertir concentración en mol, obtenida despejando con la ecuación
general de segundo grado dada en la curva de calibración, a concentración en
Peso, considerando los pesos moleculares del etanol (46 g/mol) y agua (18
g/mol) respectivamente:
Gráfica 4. Diagrama de puntos de ebullición
de las mezclas de etanol/agua. (4)
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