INFORME DE LABORATORIO 1: DESTILACIÓN

Andrés Felipe Ahumada

José Miguel Hernández

María Paula Olaya

David Reyes

Procesos de Separación

Instructor: Oscar Fonseca

Universidad de Los Andes

Octubre de 2014

Abstract.

Palabras Clave.

Introducción y Nomenclatura.

En los últimos años, debido a los grandes avances tecnológicos y al nacimiento de nuevos productos e industrias, la búsqueda de procesos de separación adecuados y eficientes se ha convertido en uno de los aspectos más importantes a investigar. Históricamente, dos de los tipos de destilación más utilizados en la industria han sido el de destilación continua y el de destilación por lotes (mejor conocido como destilación batch). El objetivo del presente informe de laboratorio es analizar la separación de una mezcla etanol/agua por medio de los dos métodos de destilación nombrados anteriormente.

Ahora bien, previo al inicio de la presentación y análisis de los datos recogidos en el laboratorio, es necesario realizar una breve descripción de cada uno de los procesos de destilación nombrados anteriormente.

En primer lugar, la destilación continua, como su nombre lo indica, es un proceso en el cual se separa una mezcla con un flujo de alimentación y destilado continuo. Al igual que todos los tipos de destilación, este proceso se basa en la “creación de una fase”, pues basas sus métodos de separación en las diferencias de los puntos de ebullición entre los componentes “problema”. Una torre de destilación continua tiene dos secciones principales: Rectificación y Stripping. La sección de rectificación es la superior, se caracteriza por la presencia de un condensador (para efectos prácticos del informe presentado, en este caso el condensador es total) y de un “reflujo” (término abordado más adelante). Por otro lado, la sección de stripping corresponde a la zona inferior de la columna, la cual cuenta con un re-hervidor y con una relación de reflujo conocida como “boil-up”.

Uno de los métodos más utilizados en los procesos de resolución de problemáticas involucrando destilación continua, es el método de McCabe-Thiele. Este método gráfico se centra en la búsqueda del número óptimo de etapas para la torre y en la localización óptima de la corriente de alimentación. Para la correcta aplicación del método, es necesario asumir un reflujo constante en la sección de rectificación(“Constant molar overflow”) además del planteo de 3 ecuaciones que permiten definir las líneas de operación de la torre.

Para la zona de rectificación, McCabe-Thiele propone que la línea de operación de la torre está dada por la siguiente expresión:

y= RR+1

x+ 1R+1

xD (1)

Donde R hace referencia a la relación de reflujo y xD a la composición del componente más volátil en el flujo de destilado.

Así mismo, propone que la línea de operación para la sección de stripping está dada por la siguiente ecuación:

y=V B+1

V B

x− 1V B

xW (2)

Donde V B hacer referencia al “Biol-up ratio” y xW a la composición del componente más volátil en la corriente de fondos.

Además, McCabe-Thieleporpone una línea de operación para la alimentación:

y= qq+1

x−ZF

q−1(3)

Donde q es un parámetro dependiente de las características de la corriente de alimentación.

A partir del trazado de las rectas (1), (2) y (3) es posible encontrar el número de etapas óptimo para una destilación dada.

Por otro lado, la destilación por lotes…….

Materiales y Métodos.

Para el desarrollo del proceso experimental, fue necesario dividir la experimentación en dos grandes bloques, uno para la torre empacada y otro para la torre por lotes.

Para poder llevar a cabo la separación en la torre continua, se realizó el siguiente procedimiento:

En primer lugar, se preparó 30 L de una solución etanol-agua (30% V/V) y se introdujeron en el tanque de alimentación. Después, se encendió la torre y se esperó hasta que el re-hervidor llegara a una temperatura adecuada para iniciar el proceso de separación (cuando la temperatura fuera constante). Posteriormente, se abrió la válvula de ingreso, teniendo bajo control la relación de alimentación y de reflujo (ambos valores serán mostrados más adelante). Se dejó operar a la torre durante 2.5h, recogiendo continuamente el flujo de destilado. Finalmente, se midió la concentración cuando el tiempo estuvo cumplido y se desocuparon los tanques de la torre.

Por otro lado, para el desarrollo de la separación en la torre pro lotes se realizó el siguiente procedimiento:

En primer lugar, a partir de los índices de refracción de distintas muestras etanol-agua, se construyó una curva de calibración con capacidad de definir la concentración de etanol en una muestra cualquiera. Nuevamente se preparó 30 L de solución problema (30% V/V)y se encendió el equipo a operar. Posteriormente, cuando la temperatura de la cima de la torre se estabilizó, se tomaron muestras de destilado cada 5 minutos por una hora y se midió su índice de refracción. Una vez terminado el tiempo de toma de datos, se midió el volumen de destilado final, la composición promedio de etanol en el destilado y se determinó la tasa de evaporación. Finalmente, se registraron los datos y se inició el análisis de los mismos.

Resultados y Discusión

o Destilación continua

Las variables y resultados obtenidos para el proceso de destilación continua pueden encontrarse en la siguiente tabla:

Parámetro ValorFlujo Alimentación 1,5 GPHRelación de Reflujo 0,9836

Concentración Etanol en destilado 0,6Tabla 1. Resultados experimentales destilación continúa

Así mismo, a partir del programa computacional a partir del cual se rige la torre de destilación sobre la cual se realizó el proceso experimental, fue posible encontrar los

perfiles de temperatura en función del tiempo para cada una de las 3 secciones de la columna (según la teoría de McCabeThiele):

Diagrama 1. Diagrama temperatura contra tiempo en la alimentación de la torre

Diagrama 2. Diagrama temperatura contra tiempo en la cima de la torre

Diagrama 3. Diagrama temperatura contra tiempo en los fondos de la torre

Claramente se puede apreciar que la temperatura en la cima de la torre es superior a la temperatura de alimentación, lo cual muestra que en la zona superior de la torre se está evaporando al componente más volátil. Ahora bien, en el diagrama 1 se puede observar que la temperatura de alimentación sufre una caída durante el proceso de experimentación. Esto se puede haber dado por alguna inconsistencia en el proceso experimental, pero no tiene influencias negativas de gran magnitud en los resultados obtenidos.

Ahora bien, a partir del diagrama 1, es evidente que la temperatura de alimentación de la torre ronda los 65°C durante gran parte de la experimentación, por lo cual, es correcto afirmar que esa es la temperatura de entrada de la corriente de alimentación. Así mismo, dado que la torre se encontraba trabajando a condiciones de presión estándar, es conveniente determinar los datos de equilibrio del sistema a 65°C y 1 atm:

P-xy for WATER/ET HAN-01

Liquid/Vapor Molefrac ET HAN-01

Pre

ssur

e a

tm

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

P-x 75,0 C

P-y 75,0 C

Diagrama 4. Diagrama P-xy para el sistema binario estudiado

T-xy for WATER/ET HAN-01

Liquid/Vapor Molefrac ET HAN-01

Tem

pera

ture

K

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

355,

036

0,0

365,

037

0,0

375,

0

T-x 1,0 atm

T-y 1,0 atm

Diagrama 5. Diagrama T-xy para el sistema binario estudiado.

Vale la pena aclarar que para la construcción de los diagramas 5 y 6, se utilizó el modelo termodinámico de NRTL. Este modelo fue seleccionado a partir de la ayuda proporcionada por el software Aspen Hysis, el cual, determina el mejor modelo termodinámico para un sistema dado. En este caso particular, se puede observar que el sistema etanol-agua es no-ideal, ya que posee un azeotropo a 250 K (aproximadamente) y 1 atm.

Con la aparición de nuevas tecnologías y softwares especializados, han nacido programas con capacidad de simular el tipo de procesos de separación enunciados anteriormente. Por lo tanto, resulta conveniente realizar una comparación entre los datos obtenidos experimentalmente con los datos arrojados por un programa especializado en la simulación de procesos.

Para este caso en particular, se utilizó el programa Aspen Hysis. A partir de este software, se crearon dos simulaciones distintas, una simple con pocas restricciones y otra robusta, mucho más exacta.

Para la simulación simple, se utilizó una torre que modela un proceso de “shortcutdistillation”. Este modelo no tiene en cuenta las relaciones de no idealidad (sus resultados no son muy precisos) y permite determinar la relación de reflujo mínima, óptima y el número de etapas requerido para llevar a cabo la destilación.

Los resultados obtenidos a partir de la simulación por “shortcutdistillation”son mostrados a continuación:

Imagen 1. Ambiente de simulación para una torre por “shortcutdistillation”

Imagen 2. Composiciones de la corriente de destilado por “shortcutdistillation”

Imagen 3. Número de etapas y flujos de la simulación por “shortcutdistillation”

Imagen 4. Relación de reflujo mínima determinada por “shortcutdistillation”

A partir de las imagen 2, es posible determinar que las composiciones de salida obtenidas por la simulación son exactamente iguales a las experimentales. Este hecho se produce debido a que, durante la programación de este proceso de separación, el usuario debe determinar las fracciones molares “objetivo” de los componentes tanto en la corriente de destilado como en la corriente de fondos. Por lo tanto, dado que los resultados experimentales habían arrojado una composición de etanol de 0.6, el resultado en la simulación fue idéntico.

Ahora bien, a partir de la imagen 3 es posible determinar el número de etapas mínimo para poder llevar a cabo la separación (en este caso 3). Y, por medio de la imagen 4, es posible determinar la relación de reflujo mínima y óptima en la torre. Por un lado, la relación mínima es encontrada, teóricamente, a partir del “pinchpoint” (punto en el cual las líneas de operación descritas por las ecuaciones (1), (2) y (3) se intersectan con la curva de equiibrio). Por otro lado, la relación de reflujo óptima es un 25% superior a la relación mínima(Treybal, 1980).

Para este caso en particular:

RMIN=0.8

ROptimo=1

Nóptimo=6,86 etapas ≈7 etapas

Vale la pena aclarar que la relación de reflujo es fundamental en el desarrollo del proceso de separación por destilación continua. Las composición en el destilado del componente más volátil, aumenta con el incremente de la relación de reflujo. Este hecho es de gran utilidad en la práctica y en la industria, ya que la relación de reflujo es un factor que es totalmente controlado por los operarios de las plantas, por lo tanto, a partir de

manipulaciones simples, es posible llegar a conseguir una composición de destilado “óptima” o “máxima”. Teóricamente, el reflujo máximo es el que gráficamente se puede identificar como una recta x=y. No obstante, la eficiencia del reflujo respecto a las composiciones de salida varía según la pareja de componentes separada.

Como fue mencionado anteriormente, una simulación robusta está en capacidad de ilustrar con una mayor precisión un proceso de separación de una mezcla no ideal. Por lo tanto, es conveniente presentar los resultados alcanzados con este tipo de simulación.

Imagen 5. Ambiente de simulación para una torre de destilación “robusta”

Imagen 6. Composiciones de la corriente de destilado obtenidas por medio de una simulación “robusta”

Este tipo de simulación permite agregar el tipo de empaque de la torre “experimental”. Este factor es fundamental en el desarrollo de la simulación, pues se asemeja más a la realidad y permite determinar las dimensiones de la torre utilizando el reflujo “óptimo” encontrado en la destilación por “shortcutdistillation”.

Teniendo en cuenta que el tipo de empaque de la torre es de anillos Cascade mini ring de una pulgada:

Imagen 7. Dimensiones “óptimas” de la torre simulada

La torre donde se realizo la práctica y se tomaron los datos experimentales tenía un diámetro de 10 cm y poseía dos tramos, cada uno de 1 metro de altura. Si comparamos las dimensiones de la torre real con las condiciones “optimas” de la torre simulada, se puede observar que su altura disminuyo pero aumento el diámetro.

En la simulación, se obtuvo un destilado con un 66.15% de etanol con las condiciones de operación mencionadas anteriormente. Este valor es mayor a la concentración obtenida en el laboratorio, que fue del 60%. Esta diferencia se da debido a que en el laboratorio no se consiguieron las condiciones de operación deseadas. Para que la torre continua comience a funcionar es necesario esperar un tiempo prudente para que las condiciones de operación se estabilicen. A pesar de que se gastaron aproximadamente 3 horas en la práctica de laboratorio, ese tiempo no fue suficiente para estabilizar la torre y llevarla a las condiciones deseadas.

Otro factor que afecta los resultados de la simulación es la eficiencia de la torre y sus dimensiones. La torre simulada en Aspen Hysis funciona con etapas casi ideales y que se mueven en el equilibrio de la torre. La torre donde se tomaron los datos experimentales nunca llego a las condiciones optimas de operación, las etapas no alcanzan el equilibrio por lo cual se pierde eficiencia en la torre. De la misma manera, la torre del laboratorio está

lejana de idealidad que presenta la simulación. Del mismo modo, el cambio en las dimensiones de la torre afectan significativamente los resultados obtenidos. El cambio en las dimensiones en la simulación con respecto a la torre que se encuentra en el laboratorio es una fuente de error entre los datos experimentales y los datos de la simulación.

Para poder explicar mejor el comportamiento de la torre simulada es necesario conocer los perfiles de temperatura y depresión que se generan en esta. En las imágenes 8 y 9 se muestran estos perfiles con respecto a la etapa de la torre, siendo la etapa 0m el condensador y la etapa 8 el rehervidor.

Imagen 8. Perfil de temperatura de la torre simulada

El perfil de temperatura en la imagen 8, muestra claramente el cambio de temperatura con respecto a cada etapa de la torre. Se ve como el condensador total opera a aproximadamente 79°C y el rehervidor a una temperatura cercana a los 90°C. Este cambio de temperaturas en cada plato es fundamental para la operación de la torre. Como se puede ver en las graficas de equilibrio Txy, un cambio en la temperatura significa un cambio en las composiciones de líquido y vapor. Este cambio en el equilibrio es el que hace posible que cada plato de la torre opere bajo una condición de equilibrio diferente a la de las otras.

Imagen 9. Perfil de presión de la torre simulada

A diferencia del perfil de temperatura, el perfil de presión de la torre no presenta cambios significativos con respecto a cada plato. Esto se debe a que tanto el condensador como el rehervidor operan a presión atmosférica y la caída de presión en cada etapa no es significativa.

o Destilación por lotes.

A continuación se muestran 4 tablas en las cuales se resumen los datos obtenidos durante la práctica de laboratorio.

Parámetro Valor UnidadesPeso molecular del componente volátil 46,06 g/mol

Peso molecular del segundo componente 18 g/molConcentración inicial del componente volátil 0,12 fraccion mol

Concentración inicial del segundo componente 0,88 fraccion mol

Cantidad inicial de la mezcla2997,44 g

3200 mL

Cantidad inicial del componente más volátil

757,44 g16,44 mol960 mL

Cantidad inicial del segundo componente

2240 g124,4 mol2240 mL

Tabla 1. Parámetros iniciales de experimentación.

Tiempo(minutos) Volumen del destilado Fracción mol de alcohol

(mL) Destilado Alimento0 0 0 0,1167204535 34 0,676614561 0,110707692

10 68 0,676614761 0,10456438215 102 0,676612834 0,09828629420 136 0,676612834 0,09186883325 170 0,676613405 0,08530731730 204 0,676615185 0,07859677935 238 0,676612669 0,07173248940 272 0,676614244 0,06470846145 306 0,676613405 0,05751960950 340 0,676613405 0,05015975255 374 0,676613405 0,04262280160 408 0,676612994 0,034902345

Tabla 2. Resultados durante el proceso de destilación

Parámetro Valor Unidades

Cantidad final de alimento202,94 moles totales2792 mL

Cantidad final de destilado29,65 moles totales408 mL

Tiempo de proceso 60 minutosConcentración final en alimento del volátil 0,035 fracción mol

Concentración final en alimento del segundo componente 0,965 fracción molConcentración final en destilado volátil 0,676 fracción mol

Concentración final en destilado segundo componente 0,324 fracción molTabla 3. Resultados finales del proceso de destilación.

Curva de CalibraciónConcentración(V/

V)Índice de Refracción

(nD)Agua Pura 1,3317

30% 1,343440% 1,348850% 1,352760% 1,353770% 1,354780% 1,356490% 1,3559

Etanol Puro 1,355Tabla 4. Curva de calibración para identificación de etanol por medio de refractometría.

Con la tabla 4 es posible generar de manera gráfica la curva de calibración. Esta grafica permite conocer la concentración de etanol en diferentes tiempos. A continuación se muestra la gráfica, así como la regresión polinómica realizada.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11.315

1.32

1.325

1.33

1.335

1.34

1.345

1.35

1.355

1.36

f(x) = − 0.0327234814018251 x² + 0.0570028193674688 x + 1.33113717429068R² = 0.988331196134466

Curva de CalibracionPolynomial (Curva de Cal-ibracion)

Concentración (V/V)

Indi

ce d

e Re

frac

cion

(nD)

Grafica 1. Curva de Calibración.De acuerdo a las anteriores tablas y haciendo uso del polinomio obtenido en la regresión, es posible generar la gráfica que nos permita conocer el cambio de la fracción molar de los dos componentes en el destilado y en los fondos a medida que pasa el tiempo. A continuación se muestra la gráfica experimental obtenida.

0 10 20 30 40 50 60 700

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fraccion DestiladoFraccion Alimento

Tiempo (min)

Frac

cion

mol

ar

Grafica 2. Fracción molar en Destilado y fondos.Por otro lado, para obtener la gráfica teórica de xW , yavg y y D se generó la gráfica de equilibrio de Etanol/Agua. Para esto se utilizó el modelo de Margules 2 constantes y la ecuación de Antoine para obtener las presiones de saturación a diferentes composiciones de etanol. Los parámetros utilizados, se muestran en las siguientes tablas.

MargulesA12 1,6022A21 0,7947

Tabla 5. Constantes de Margules.

AntoineConstantes etanol agua

A 5,33675 5,11564B 1648,22 1687,537C 230,918 230,17

Tabla 3. Constantes de Antoine.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Curva de equilibrio etanol

equilibrioy=x

x etanol

y et

anol

Grafica 3. Curva de Equilibrio Etanol/Agua

Una vez determinadas la curva de equilibrio para el sistema de estudio, se hace uso de las ecuaciones de Rayleigh para obtener la gráfica deseada. Estas ecuaciones se muestran continuación.

ln ( WW o

)=∫xWo

xW d xw

Y D−X w

y Davg=W 0 XWo−W xW

W o−W

Para solucionar de la integral se hizo una regresión polinómica de la grafica

xW vs .1

yD−xW. La grafica obtenida, así como el polinomio asociado se muestran a

continuación.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

f(x) = − 1420.8895909 x³ + 513.823440452 x² − 56.9183403151 x + 3.97229583526R² = 0.999778572372514

Series2Polynomial (Series2)

Grafica 4. Polinomio xW vs1

y D−xW

A continuación se muestra la gráficas teórica que se obtuvo para el sistema Etanol/Agua a las condiciones de operación del laboratorio.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

100

200

300

400

500

600

Temperatura

Tiempo (mins)

Tem

pera

tura

(°C)

Grafica 5. Temperatura de Rehervidor

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

ydxwy avg

Grafica 6. Grafica teórica que relaciona xW , yD , yDavg vs . t(min)

De acuerdo a la anterior gráfica, se puede observar que la fracción de etanol en el destilado disminuye a medida que pasa el tiempo. Sin embargo, el resultado experimental muestra que la concentración de etanol en el destilado es constante a lo largo del tiempo, lo que indicia que no se está llevando algún proceso de separación en la torre. No obstante, la falta de sentido de estos resultados se puede deber a diferentes errores o factores que afectaron la medición del índice de refracción de las muestras. Por ejemplo, se puede observar que el indicie de refracción del etanol puro, es menor al índice de refracción reportado para cada una de las muestras, lo que indica que la concentración de etanol en las muestras es mayor al 100%. Sin embargo, esto se debe a que la muestra de etanol puro que se utilizó, pudo haber estado contaminada con agua u otra sustancia química, ocasionando que el indicie de refracción disminuyera.

Por otro lado, debido a que la torre había sido usada por estudiantes en días anteriores a la práctica de laboratorio, es posible que las muestras de destilado que se midieron tuvieran rastros de etanol, afectando la concentración de etanol en las muestras y por lo tanto que la composición en el destilado no correspondiera a la esperada.

En cuanto a la fracción de etanol en el alimento (Waste), se puede observar que los resultados experimentales siguen la misma tendencia que la descrita por la gráfica teórica. Esto se debe a que a medida que se lleva a cabo la destilación, el volumen de la mezcla que queda en el balón de alimentación disminuye debido a la velocidad de evaporación que posee la torre. Dado que, la velocidad de evaporación es constante, es de esperarse que la composición de etanol en los fondos (W) se comporte de manera lineal, este comportamiento se puede observar en las dos gráficas.

Por otro lado, la fracción de recuperación se utilizó la concentración del alcohol determinada por el alcoholímetro (92%), la ecuación que se utilizo es:

F recuperacion=N etanoldestilado

N etanol inicial

= 6.42 moles Etanol16.44 moles Etanol

=39.1%

Esta cifra significa que el 39% del etanol que se tenía inicialmente se pudo recuperar utilizando una torre de destilación por etapas. Sin embargo este porcentaje es bajo, debido a que el sistema posee un punto azeotropo, lo que impide que la fracción de Etanol pueda ser mayor debido a que sus coeficientes de actividad son iguales. Por lo tanto, con el fin de obtener fracciones de recuperación más altos, se recomienda utilizar una destilación azeotropica. Estos métodos son de gran utilidad ya que permiten el punto azeotropo mediante la adicion de un nuevo componente.

Finalmente, la velocidad de evaporación de la solución inicial es:

V=V destilado

tiempos= 34 mL

5 mins=0.10

mls

Conclusiones

Para poder operar la torre continua a las condiciones óptimas es necesaria encenderla durante un buen periodo de tiempo antes de obtener resultados similares a los deseados. Debido a la corta duración de la práctica de laboratorio, no se pudieron alcanzar las condiciones de operación óptimas.

Los datos de la simulación son obtenidos bajo condiciones de idealidad de la torre, por lo cual difieren en cierto grado de los datos experimentales, pues la torre de laboratorio esta lejana de operar en condiciones de idealidad.

Bibliografía