Procesos de Separacin III

Procesos de Separacin IIIunidad 1

Reporte en equipo de Destilacin.La destilacin es la operacin de separar, comnmente mediantecalor, los diferentes componentes lquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullicin (temperaturas de ebullicin) de cada una de las sustancias a separar. La destilacin se da en forma natural debajo del punto de ebullicin (100C en el caso delagua), luego se condensa formando nubes y finalmente llueve. Es decir; es un procesoqueconsiste en calentar un lquido hasta que sus componentes ms voltiles pasan a la fase de vapor y, a continuacin, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma lquida por medio de la condensacin. Elobjetivoprincipal de la destilacin es separar una mezcla de varios componen tes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales voltiles de los no voltiles.

Diferentes tipos de destilacin:

Destilacin simpleSe usa para la separacin de lquidos con punto de ebullicin inferiores a 150 apresinatmosfrica de impurezas no voltiles o de otros lquidos miscibles que presenten un punto de ebullicin al menos 25 superior al primero de ellos. Para que la ebullicin sea homognea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso.

Destilacin fraccionadaSe usa para separar componentes lquidos que difieren de en menos de 25 en su punto de ebullicin. Cada uno de los componentes separados se les denomina fracciones. Es un montaje similar a la destilacin simple en el que se ha intercalado entre el matraz y la cabeza de destilacin una columna que puede ser tener distintodiseo(columna vigreux, de relleno...). Al calentar la mezcla el vapor se va enriqueciendo en el componente ms voltil, conforme asciende en la columna.

Destilacin azeotrpicaEnqumica, ladestilacinazeotrpica es una de lastcnicasusadas para romper un azetropo en la destilacin. Una de las destilaciones ms comunes con un azetropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando tcnicas normales de destilacin, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.Una vez se encuentra en una concentracin de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentracin del vapor de la mezcla tambin es de 95/5% etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones dealcoholmayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azetropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentracin.

Principales aplicaciones:Refinamiento de petrleoCuando se extrae el petrleo crudo, dependiendo de dnde provenga, este contiene muchos componentes que requieren destilacin para que el combustible pueda ser utilizado por tu auto. Afortunadamente, los muchos tipos de hidrocarburos en ebullicin del petrleo crudo tienen diferentes temperaturas de ebullicin y se pueden separar uno a uno. En otros procesos qumicos, los diversos hidrocarburos se pueden separar o combinar para producir una cierta variedad deproductos, tales como gasolina, plsticos, combustible para aviones, fibras sintticas, ceras, neumticos y queroseno.Otros usos

Las industrias de la cosmtica, farmacutica y qumica dependern del proceso de destilacin. Por ejemplo, empleando la tecnologa para separacin del aire se puede producir argn. Esta sustancia qumica se utiliza en las bombillas para proteger el filamento y proporciona el brillo en los tubos fluorescentes. El Clorosilanos es destilado para producir los ms altos grados de silicio que se utilizan en la fabricacin de semiconductores, la base de ordenadores. Trementina, nafta, fenoles, tolueno y fitosteroles son componentes producidos a travs de la destilacin. Como tambin lo es la piridina, utilizada como disolvente y agente impermeabilizanteen la fabricacin deproductosfarmacuticos y vitaminas.

Leyes y parmetros que se aplican a la destilacin.Ley de Raoult.Para el equilibrio vapor-liquido de soluciones ideales.Si dos o ms especies liquidas forman una disolucin liquida ideal con una mezcla de vapor en equilibrio, la presin parcial de cada componente en el vapor es proporcional a su fraccin molar en el liquido . La constante de proporcionalidad es la presin de vapor de la especie pura a la temperatura del sistema y esta relacin de la ley de raoult, en honor al cientfico francs que la descubri.

Para sistemas que presentan diferentes interacciones entre los constituyentes de la fase liquida se producen desviaciones de la ley de Raoult. A veces la interaccin toma la forma de una fuerte repulsin tal como ocurre con hidrocarburos y agua. En un sistema liquido binario de los componentes A y B si estas repulsiones conducen una inmiscibilidad prcticamente completa la presin total sobre las dos fases liquidas es la suma de las presiones de vapor de los componentes individuales y

Regla de fases de Gibbs.La regla de las fases de J.Willard Gibbs relaciona la varianza (grados de libertad) f para un sistema qumicamente no reactivo que se encuentra en equilibrio heterogneo, con el nmero de p fases que coexisten y el nmero de componentes (especies qumicas) c presentes.

La varianza represente el nmero de propiedades intensivas que es preciso especificar para fijar completamente el estado del sistema. Para los sistemas que se tratan aqu solamente se consideran las propiedades intensivas T,P y concentracin.Para un gas que tiene n componentes c=n de la forma que f es n+1 y la especificacin de la temperatura, la presin y n-1 variables de concentracin define completamente el estado del sistema.

Modelo de Dalton.Un mtodo de evaluacin del comportamiento de las mezclas de gases lo constituye el modelo conocido como ley de las presiones aditivas de Dalton:La presin total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones de los componentes que ejercieran cada uno de los gases si estuvieran solos a la temperatura de la mezcla ocupando el volumen de este.Por lo tanto la ley se puede describir cmo.

Parmetros de control.Existen una nmero importante de variables termodinmicas que nos van a servir como parmetro de control dentro de la destilacin, brevemente analizaremos estas.}1. Presin: En este caso como ya hemos podido ver este es uno de los parmetros de control que ms vamos a utilizar, lo podemos ver reflejado en las leyes que participan como fundamento en la destilacin, lo vamos a ver reflejado en las diferentes presiones de vapor de las mezclas de los compuestos.

2. Temperatura: Muy importante en nuestro problemas de destilacin, conocer a que temperatura se alcanza los puntos de ebullicin de las sustancias a separar.

3. Volumen: Implica conocer la cantidad de sustancia a separar dentro de la columna y tener tambin en cuenta el volumen de lquido y de vapor que va estar dentro de la columna.

4. Energa interna: Como sabemos la energa interna es una medida macroscpica de las energas moleculares, atmica y subatmicas, pero no existen instrumentos capaces para medir la energa interna directamente en una escala macroscpica, , para eso utilizaremos las variables que pueden se medibles.

5. Entalpia y entropa. Son otras clases de energa en las cuales igual tenemos el mismo problema con la energa interna ya que son variables termodinmicas las cuales no se pueden medir directamente la entalpia se va definir como la combinacin de dos variables que aparecen con mucha frecuencia en el balance de energa.

Diagramas de equilibrio (Ejemplos)

Ejemplo de un problema de destilacin.Una mezcla del 50% (en moles) de n-hexano y n-heptano, se somete a destilacin sbita con una presin en el separador de una atmsfera, de forma que se vaporicen el 60% de los moles de la alimentacin: x= 0.5 f = 0.6Base de clculo: 100 moles de F (la separacin es continua, pero no es necesario especificar explcitamente una unidad de tiempo).La ecuacin de la lnea de operacin es, segn

Resolviendo de forma aproximada: Los datos de equilibrio a una atmsfera para este sistema son los siguientes: X1.0000.9580.7270.5620.3460.2110.0900.000

Y1.0000.9830.8750.7550.5720.3890.1950.000

T(C)68.770.075.080.085.090.095.099.2

El grfico muestra (en rojo) la lnea de operacin que se ha representado en el grfico xy junto con los datos de equilibrio de la tabla anterior (en azul). La interseccin corresponde a la solucin del problema: x = 0.36 y = 0.59

Si es posible disponer de una forma analtica de la ecuacin de equilibrio, el problema puede resolverse sin la ayuda de una grfica. En este caso, por ejemplo, el sistema es ideal y sigue la Ley de Raoult (para cada componente). El gas tambin puede suponerse ideal, por lo que se cumple que:

(Se ha denotado a. n-hexano como A y a la n-heptano como B.) Las presiones de vapor pueden calcularse a partir de los parmetros de la ecuacin de Antoine:

Para el n-hexano: A = 14.0568, B = 2825.42, C = -42.7089Para el n-heptano: A = 13.9008, B = 2932.72, C = -55.6356En la ecuacin p [=] kPa y T[=] K. Las ecuaciones forman un sistema de tres ecuaciones con tres incgnitas, que puede resolverse para dar lugar a:x = 0.368, y = 0.587,T = 84.7C.(Las fracciones molares no suman uno porque corresponden a fases distintas. El dato de equilibrio a 85C de la tabla de datos de equilibrio corresponde a valores de x e y muy prximos, por lo que los dos mtodos ofrecen resultados coincidentes.)Ejemplo de destilacin de Flash:Tenemos una mezcla binaria de Ethanol agua, donde deseamos destilar el Ethanol para llevarlo a una concentracin de 82% de pureza, cuando este tiene una alimentacin en un 20%, determinar el nmero de tapas, el residuo y destilado final

Xa0=20%XaR=4%XaD=82% DESTILADO FINAL.Ejemplo de destilacin de RaleighTenemos una mezcla binaria de Ethanol agua, donde deseamos destilar el Ethanol para llevarlo a una concentracin de 82% de pureza, cuando este tiene una alimentacin en un 20%, determinar el nmero de tapas, el residuo y destilado finalDa0=0.2

Xad*=0.41

DR=0.04

XaD=0.81

x=0.4x/10=0.04x=0.23x/10=0.023

Da0+x/10Da0+x/10

10.2410.623

20.2820.646

30.3230.669

40.3640.692

50.450.715

60.4460.738

70.4870.761

80.5280.784

90.5690.807

100.6100.83

Ejemplo general del Mtodo de McCabe ThieleContreras Oaxaca JonathanUnidad 1

ETANOL-AGUAAlimentacin inicial= 10% Destilado= 85% Residuo= 5%

XAD=85%XBD=15%

XAR= 5%XBD=95%

180 Kg*mol/hr10% XA090% XB0

D=(180*(.1-.05))/(.85-.05)= 11.25R= (180*(.85-1))/(.85-.05)=168.75_____Kg*mol/Hr 180

Jonathan Contreras Oaxaca

ETANOL-AGUAAlimentacin inicial= 17% Destilado= 78% Residuo= 3%

XAD=78%XBD=22%

XAR= 3%XBD=97%

150 Kg*mol/hr17% XA083% XB0

D=(150*(0.17-0.03))/(0.78-0.03)= 28R= (150*(0.78-0.17))/(0.78-0.03)= 122 _____ 150 Kg*mol/Hr