Destilación primaria o topping y destilación secundaria o cracking
Destilación
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
SECCIÓN INGENIERÍA INDUSTRIAL
LABORATORIO DE PROCESOS INDUSTRIALES
Practica N°3
DESTILACIÓN FRACCIONADA
GRUPO HORARIO: 834
JEFE DE PRÁCTICA: KING SANTOS, MARIA EUGENIA
INTEGRANTES:
CODIGO NOMBRES Y APELLIDOS20104702 Zapata Mendoza, Raysa Mariela20115270 Cutti Melo, Gonzalo20112323 Huamán Rivera, Jorge Eduardo20101075 Chavez Mimbela, Joaquin Ricardo20100483 Alva García, Jorge20101698 Del Castillo León, Stefany Beatriz
FECHA DE REALIZADA LA PRÁCTICA: viernes 03 de octubre
FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: jueves 09 de octubre
2014
1.- ÍNDICE
Contenido1.- ÍNDICE..........................................................................................................................................2
2.- INTRODUCCIÓN............................................................................................................................1
3.- REVISIÓN LITERARIA.....................................................................................................................2
3.1. Tipos de destilación................................................................................................................2
4.- METODOLOGÍA Y PRESENTACIÓN DE DATOS...............................................................................6
4.1. Materiales y Equipos..............................................................................................................6
4.2. Metodología...........................................................................................................................7
5.- CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS........................................................................................8
6.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN...........................................................................................................9
7.- CONCLUSIONES..........................................................................................................................11
8.- RECOMENDACIONES..................................................................................................................11
9.- CUESTIONARIO...........................................................................................................................11
10.- BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................................17
2.- INTRODUCCIÓN
La destilación es una operación de gran aplicación e importancia en la industria
química, dado que es la única que permite separar un componente puro en forma
directa, no requiere de procesos posteriores. Es un método ampliamente utilizado
para la separación de mezclas a base de las diferencias en las condiciones
requeridas para cambiar la fase de los componentes de la mezcla. Para separar una
mezcla de líquidos, el líquido se fuerza a la separación al calentarlo dado que los
componentes tienen diferentes puntos de ebullición. El gas se condensa de nuevo en
forma líquida y se recoge. La destilación es una operación unitaria, porque durante
ésta no se altera la composición química de la sustancia.
La destilación se utiliza para muchos procesos comerciales, tales como la producción
de gasolina, agua destilada, xileno, alcohol, parafina, queroseno, procesos de
obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos.
En nuestro laboratorio, se busca conocer el proceso de destilación fraccionada.
Este tipo de destilación necesita de una columna de fraccionamiento que utiliza
platos, que en los diferentes niveles de la columna, facilitan la transmisión de
calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Útil cuando se
necesitan varias sustancias con diferentes tipos de concentración y puntos de
ebullición no muy lejanos. Para la destilación fraccionada lo que requerimos fue
una mezcla; solución de etanol, una fuente de calor para evaporar y separar los
líquidos, un condensador para volver líquida la sustancia destilada y un
rehervidor conectado a la columna para obtener la mayor cantidad de
concentración posible.
En el siguiente informe se presentará información relacionada con la "separación de mezclas" que en este caso será agua y alcohol.
Los objetivos del laboratorio son los siguientes:
Conocer el proceso de destilación fraccionada.
Realizar el balance de masa y energía.
Reconocer la importancia de la destilación como proceso físico.
3.- REVISIÓN LITERARIA
La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y
condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o
gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de
ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el
punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no
varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión;
existen varios tipos de destilación, los principales se presentan a continuación:
3.1. Tipos de destilación
1.1.1 Destilación Simple:
La destilación simple se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos a destilar
contiene únicamente una sustancia volátil, o bien, cuando ésta contiene más de
una sustancia volátil, pero el punto de ebullición del líquido más volátil difiere del
punto de ebullición de los otros componentes en, al menos, 80 ºC.
En la destilación simple los vapores producidos son inmediatamente canalizados
hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de modo que el destilado
no resulta puro. Su composición será idéntica a la composición de los vapores a
la presión y temperatura dados y pueden ser computados por la ley de Raoult.
El resultado final es la destilación de un solo producto, ya sea porque en la
mezcla inicial sólo había un componente, o porque en la mezcla inicial uno de los
componentes era mucho más volátil que el resto. La destilación simple se puede
realizar a presión atmosférica o a presión reducida:
1.1.1.1 Destilación Simple a Presión atmosférica:
Aquella que se realiza a presión ambiental. Se utiliza fundamentalmente cuando la temperatura del punto de ebullición se encuentra por debajo de la temperatura de descomposición química del producto.
1.1.1.1 Destilación Simple a Presión reducida:
Consiste en disminuir la presión en el montaje de destilación con la finalidad de provocar una disminución del punto de ebullición del componente que se pretende destilar. Se utiliza fundamentalmente cuando el punto de ebullición del compuesto a destilar es superior a la temperatura de descomposición química del producto. Para llevar a cabo este tipo de destilación es necesario un sistema de vacío y un adaptador de vacío.
Figura 1: Destilación simple
1.1.1 Destilación Fraccionada:
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de
una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los
vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la
utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los
vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un
intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se
convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al estado
líquido.. La destilación fraccionada se puede realizar a presión atmosférica o
a presión reducida, tal como se ha comentado para la destilación simple en el
apartado anterior.
Figura 2: Destilación fraccionada
1.1.1 Destilación por arrastre de Vapor:
Este tipo de destilación, a diferencia de la simple, no presenta un equilibrio de
fases líquido-vapor entre los dos componentes a destilar. La destilación por
arrastre de vapor posibilita la purificación o el aislamiento de compuestos de
punto de ebullición elevado mediante una destilación a baja temperatura (siempre
inferior a 100 ºC). Es una técnica muy útil para sustancias de punto de ebullición
muy superior a 100 ºC, que descomponen antes o al alcanzar la temperatura de
su punto de ebullición. Tiene muchos usos como en la industria alimentaria para
eliminar contaminantes, mejorar sabores de grasas y hacer aceites comestibles.
Figura 3: Destilación por arrastre de vapor
1.1.1 Destilación al Vacío:
La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial por dentro del sistema
de destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición
normal. Este tipo de destilación se utiliza para purificar sustancias inestables por
ejemplo las vitaminas.
Lo importante en esta destilación es que al crear un vacío en el sistema se puede
reducir el punto de ebullición de la sustancia casi a la mitad. Para ello, se utiliza
una bomba de vacío o trompa de agua.
Figura 4: Destilación por arrastre de vapor
4.- METODOLOGÍA Y PRESENTACIÓN DE DATOS
4.1. Materiales y Equipos
En esta parte del informe, mencionaremos los materiales y equipos utilizados;
además se describirá cómo se llevó a cabo el proceso de Destilación Fraccionada
en el laboratorio de Proceso Industriales.
Materiales Utilizados:
Agua (flujo constante)
Solución de etanol (20% en volumen)
Equipos y Accesorios Utilizados:
Cronómetro
Probeta de 500 mL y Probeta de 200 Ml.
Alcoholímetro Gay Lussac
Balanza analítica
Termómetro a Laser
Columna de destilación fraccionada
Figura 4: Equipos y Accesorios
4.2. Metodología
i. Se mide la composición inicial de la mezcla (agua y alcohol) que alimentará
a las columnas de destilación y se halla su grado de alcohol, que se
encuentra a 20% de alcohol.
Figura: Equipo de Destilación
ii. Se define un flujo de alimentación de la mezcla el cual se mantendrá
constante a lo largo de todo el experimento, para esto se utilizará una
probeta y un cronómetro.
iii. Se mide la densidad del flujo de alimentación, la cual, también
permanecerá constante. Esto se logra utilizando la probeta y la balanza.
Fuente: Fotografía propia.
Fuente: Fotografía propia.
iv. Se define un flujo de reflujo el cual variará a lo largo del experimento.
Inicialmente se define reflujo de 0 Kg.
v. Luego se enciende el hervidor para calentar el etanol ya que así se logra
que este se evapore e inicie el proceso de destilado.
vi. Luego se debe medir y registrar en una tabla las variables del procesos,
para esto se debe:
1) Medir la densidad del destilado, la cual, variará dependiendo del reflujo.
2) Medir el contenido de alcohol del destilado utilizando el alcoholímetro.
3) Medir el flujo con ayuda del cronometro y probeta del agua de
enfriamiento, así como su temperatura.
4) Medir volumen, porcentaje de alcohol y temperatura del fondo (W).
vii. Repetir el experimento hasta alcanzar un alto grado de alcohol en la
mezcla.
5.- CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS
- Balance de masa :
F=D+W
FONDOS(W)t(min) D V1(L/min) ρ(Kg/L) F(Kg/min) V2(L/min) ρ(Kg/L) D(Kg/min) W(Kg) V3(L/min) ρ(Kg/L) L(Kg/min)
0.197 0.2 0.941 0.1882 0.508 0.865 0.43942 -0.25122 0.1 0.865 0.08650.176 0.2 0.941 0.1882 0.567 0.77 0.43659 -0.24839 0.15 0.77 0.11550.175 0.2 0.941 0.1882 0.575 0.83 0.47725 -0.28905 0.15 0.83 0.12450.118 0.2 0.941 0.1882 0.638 0.875 0.55825 -0.37005 0.15 0.875 0.13125
ALIMENTACIÓN(F) DESTILADO(D) REFLUJO(L)
- Contenido de alcohol :
F∗XF=W∗XW +D∗XD
ALIMENTACIÓN(F) DESTILADO(D) FONDOS(W)t(min) XF(% peso) XD(% peso) XW(% peso) R=L/D
04:30 20 47 67.23 0.1968503905:20 20 52 76.25 1.07305:40 20 57 81.09 1.61505:55 20 58 77.33 4.289
- Balance de energía :
mL=t∗ϼ∗V 1
QL=m∗c∗ΔT
λ=QL /(L+D)
t(min) V1(L/min) ρ(Kg/L) mL(Kg) T1(°C) T2(°C) L+D QL(KJ) λ(KJ/Kg)0.18 2.72 0.91 0.45 19.90 39.10 0.526 36.363 69.1410.18 2.79 0.93 0.46 19.90 38.80 0.552 36.641 66.3680.18 2.79 0.92 0.46 19.90 38.90 0.602 36.605 60.8300.18 2.71 0.94 0.47 19.90 38.50 0.690 36.561 53.025
Agua de enfriamiento
- Determinación del calor absorbido :
HD+HW−HF=Qc+QL+Wtrabajo
CpD=Cpetanol=2.46KJ / (Kg∗°C )
CpF=Cpagua=4.186KJ /(Kg∗°C )
HF=TF∗F∗CpF
HD=TD∗D∗CpD
HW=0.7∗CpF∗TF∗W+0.3∗CpD∗TD∗W
t(min) TF(°C) F(Kg/min) HF(KJ) TD(°C) D(Kg/min) HD(KJ) TW(°C) W(Kg/min) HW(KJ) CpD CpF Qc(KJ/min) Qc(KW)04:30 24.7 0.1882 19.459 19.9 0.439 21.511 36.8 -0.251 -21.872 2.46 4.186 55.461 0.9205:20 24.7 0.1882 19.459 21.1 0.437 22.662 33.8 -0.248 -21.845 2.46 4.186 56.916 0.9505:40 24.7 0.1882 19.459 21.1 0.477 24.772 36.8 -0.289 -25.421 2.46 4.186 55.414 0.9205:55 24.7 0.1882 19.459 21.2 0.558 29.114 44 -0.370 -32.572 2.46 4.186 52.561 0.88
ALIMENTACIÓN(F) DESTILADO(D) FONDOS(W)
6.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
- El principal dato a tomar en cuenta previo a la presentación de resultados es la falla técnica que presento la nueva resistencia implementada, por lo que se tuvieron las siguientes desviaciones de datos y cálculos:
El peso y la temperatura obtenida en fondos fue despreciada a lo largo de la toma de datos, lo que origino que el proceso de aumento de la concentración de alcohol se realizara “a medias”, es decir, no se llegó a obtener la proporción esperada de alcohol en el producto destilado final (alrededor de un 95%) , solo llegándose a un 58% (ver Tabla 1), siendo este dato repetitivo durante 2 mediciones consecutivas, por lo que finalmente se tuvo que detener el procedimiento, siendo ella razón también de que solo se tuvieran 4 mediciones en las tablas.
Contenido de alcohol
ALIMENTACIÓN(F) DESTILADO(D) FONDOS(W)t(min) XF(% peso) XD(% peso) XW(% peso) R=L/D
04:30 20 47 67.23 0.1968503905:20 20 52 76.25 1.07305:40 20 57 81.09 1.61505:55 20 58 77.33 4.289
Tabla 1
Otro aspecto que origino este inconveniente fue la remoción del primer dato obtenido, dado que presento una desviación muy grande en cuanto al tiempo, y no permitió observar el cambio de concentración que se daba debido al aumento del reflujo.
Balance de energía
Agua de enfriamientot(min) V1(L/min) ρ(Kg/L) mL(Kg) T1(°C) T2(°C) L+D QL(KJ) λ(KJ/Kg)
0.18 2.72 0.91 0.45 19.90 39.10 0.526 36.363 69.1410.18 2.79 0.93 0.46 19.90 38.80 0.552 36.641 66.3680.18 2.79 0.92 0.46 19.90 38.90 0.602 36.605 60.8300.18 2.71 0.94 0.47 19.90 38.50 0.690 36.561 53.025
Tabla 2
- Según la tabla 2, el valor del calor de condensación (λ) disminuye con el tiempo, debido a que el líquido condensado, al hacer contacto con el vapor ascendente, permite la evaporación del etanol (elemento mas volátil), pudiendo tener como conclusión que el reflujo y λ son inversamente proporcionales.
7.- CONCLUSIONES
8.- RECOMENDACIONES
Verificar si hay fugas en las tuberías en general antes de usar el equipo.
Contar con bombas, las cuales puedan mostrar el trabajo que entregan, o
adquirir un dispositivo que pueda medirlo.
Cambiar los baldes por tuberías bien instaladas, ya que los baldes pueden
ocasionar accidentes durante la experiencia.
Instalar un cronometro con sensores y actuadores para poder medir el flujo
con mayor precisión durante la experiencia y trabajar con un flujo más estable,
en vez de estar calibrándolo manualmente (lo cual genera errores y toma
tiempo).
Tener cuidado al momento de operar la máquina de destilación, ya que se
trabaja con temperaturas que podrían ocasionar quemaduras leves.
Siempre pedir supervisión del profesor a cargo del laboratorio, ya que los
componentes de la máquina son muy sensibles como son el calentador
(resistencia eléctrica), bomba y el condensador.
Darle un tiempo mayor al proceso para poder observar los cambios que
existen en la concentración, ya que si los tiempos son cortos puede ser
que no se noten cambios importantes en la concentración de alcohol.
Tener cuidado a la hora de retirar el líquido de fondo, ya que está cerca el
rehervidor y este se encuentra a altas temperaturas.
Revisar que el rehervidor siempre cuente con agua; ya que, de lo contrario
se recalentará, lo que podría provocar un accidente.
9.- CUESTIONARIO
6. Gráfico XD vs. Λ
52 54 56 58 60 62 64 66 68 700%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
XD Vs. λ
Calor latente de condensación (KJ/Kg)
XD(P
orce
ntaj
e de
pes
o de
stila
do)
Según el grafico se observa que a razón que aumenta el calor latente de
condensación el porcentaje del peso del destilado disminuye, lo cual es lógico ya
que a mayor porcentaje de pureza de alcohol el calor latente disminuye y sigue
una tendencia hasta llegar a su máximo nivel de pureza con su respectivo calor
latente.
7.- Indicar tres aplicaciones de la destilación fraccionada
Las aplicaciones principales de la destilación fraccionada son las siguientes:
Refinación de petróleo:
Mediante este método se obtienen fracciones y no productos puros.
Para destilar el petróleo se utilizan las refinerías. Estas son enormes y complejas
donde se somete al petróleo crudo a procesos de separación física en los cuales
se extrae gran variedad de sus derivados. Las torres de destilación industrial para
petróleo poseen aproximadamente 100 placas. En el petróleo existen varios
compuestos de los cuales se obtienen alrededor de 2.000 productos.
Cada sustancia dentro del petróleo destila a distinta temperatura, a partir de una
temperatura fija se obtiene una sustancia predeterminada. Se obtienen, productos
tales como gasolina, kerosene, diesel, entre otros.
Producción de etanol: Por destilación fraccionada de soluciones fermentadas se
obtiene concentraciones de etanol superiores (hasta un 95% o “190 de prueba”), y
las mezclas de concentraciones intermedias (40 al 50%; 80 al 100 de prueba)
constituye los “licores destilados” (“brandy”, “whisky”, etc.) del comercio.
Para separar isótopos : Se han utilizado torres de destilación de más de 500
placas para separar isótopos por destilación.
8.- ¿Qué es un intercambiador de calor?
Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está
más caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que está frío y
necesita ser calentado. Esta transferencia se realiza a través de una pared
metálica o de un tubo que separa ambos fluidos.
Tipos de intercambiadores:
Intercambiadores de tubería doble : Consiste en un tubo pequeño que está
dentro de otro tubo mayor, los fluidos circulan por el interior del tubo
pequeño. Este tipo de intercambiados se utilizan cuando el área de
transferencia son muy pequeños.
Fuente: Intercambiadores/ Archivo PDF
Constructivamente están constituidos por juegos de tubos
concéntricos, conectoras, cabezales de retorno y codos en U según el
esquema siguiente.
Este esquema representa una "horquilla". Los intercambiadores de
doble tubo están constituidos por varias horquillas interconectadas
para obtener el área de transferencia.
Fig.: 7.4
Fuente: Intercambiadores/ Archivo PDF
Intercambiadores de carcasa y tubos : Los equipos de carcasa y tubos
como los anteriores transfieren energía de un fluido a otro a través de la
pared de tubos. A diferencia de los doble tubo si bien un fluido circula por
dentro de los tubos, el otro circula por el espacio libre que dejan los tubos
ubicados dentro de un recipiente cilíndrico denominado carcasa.
Fig.: 7.5. Fuente:
http://www2.uah.es
Intercambiadores compactos : Son intercambiadores diseñados para lograr
un gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen.
La razón entre el área superficial de transferencia de calor y su volumen es
la densidad de área b. Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica
como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los
radiadores de automóviles, los intercambiadores de calor de cerámica de
vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón
humano.
En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en
direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el
nombre de flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado
( uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin
restricciones ) y no mezclado ( se disponen una placas para guiar el flujo
de uno de los fluidos ).
En la figura siguiente se muestran esquemas de ambos tipos de flujo:
Fig. 7.6
Fuente: Intercambiadores/ Archivo PPT
Fig.: 7.7
Fuente: http://adningenieria.com.ar
9) ¿Qué es un punto azeotrópico?
El punto azeotrópico es la condición de temperatura a la que una mezcla de líquidos produce vapor con la misma concentración que el líquido que origina el vapor, por lo que en ese punto no se logra la separación de una mezcla por destilación fraccionada.
El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de ebullición máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo de ebullición mínima. Los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más frecuentes que los de ebullición máxima.
Un ejemplo del punto Azeotrópico es el siguiente:
La mezcla de etanol y agua, 1 que forma un azeótropo para una concentración del 96 % en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de 78,2 °C. Con una destilación simple se obtiene un alcohol con esta concentración, pero para conseguir un compuesto más puro se necesita utilizar recursos especiales como una destilación azeotrópica.
10.- BIBLIOGRAFÍA
Destilación fraccionada: Laboratorio de procesos de separación.
Universidad Iberoamericana de México.
http://web.mac.com/figueroa/Personal/8o_Semestre_files/DS.pdf
Consulta: 08/10/2014
Propiedades de los alcoholes: propiedades físicas y químicas de los alcoholes
http://www.salonhogar.net/quimica/nomenclatura_quimica/Propiedades_alcoholes.htm
Consulta: 08/10/2014
Tipo de Destilación:
www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/destilacio_tipus.html
Consulta: 08/10/2014
QUIMICA. “DESTILACION DE ALCOHOL” (2011)
http://lilybellove.blogspot.com/2011/02/practica-1-destilacion-de-alcohol.html
Consulta: 08/10/2014
BRAULIÓ85. “Columna de destilación binaria – Parte I” (2010)
http://www.youtube.com/watch?v=sYIkyDQVTzA
Consulta: 07/10/2014
“Intercambiadores de calor”
http://ibeninson.com.ar/nsite/archivos/Intercambiadores.pdf
Consulta: 07/10/2014