DESTILACIN

[DESTILACIN]29 de octubre de 2015

DESTILACIN

GENERALIDADESCon el nombre de destilacin se entiende la separacin de los componentes de una mezcla lquida por vaporizacin parcial de la misma, de tal manera que la composicin del vapor obtenido sea distinta de la composicin del lquido de partida, resultando distinta tambin la composicin del lquido residual.La destilacin es una de las operaciones bsicas ms importantes de la industria qumica y permite separar los componentes de una mezcla lquida al estado de sustancias puras.

1. SOLUCIN IDEAL

1.1. DEFINICION:

Una solucin es una mezcla homognea de especies qumicas dispersas a escala molecular. Una solucin es una fase simple. El constituyente presente en mayor cantidad es el solvente mientras que aquellos constituyentes (1 o ms) presentes en cantidades relativamente pequeas se denominan solutos.Se ha llegado a una ley lmite a partir de la observacin del comportamiento de las soluciones. Consideremos una solucin compuesta de un disolvente voltil y uno o ms solutos no voltiles y examinemos el equilibrio entre la solucin y el vapor. Si colocarnos un lquido en un recipiente que ha sido evacuado inicialmente, el lquido se evapora hasta que el espacio por encima del lquido se llena de vapor. La temperatura del sistema se mantiene constante. En el equilibrio, la presin de vapor del lquido puro es Po. Si un material no voltil se disuelve en el lquido, se observa que la presin de vapor de equilibrio p sobre la solucin es menor que sobre el lquido puro.

Dado que el soluto no es voltil, es vapor es disolvente puro. A medida que se aade ms materia no voltil, disminuye la presin en la fase de vapor. Este comportamiento es descrito por la Ley de Raoult, que establece que la presin de vapor del disolvente sobre una solucin es igual a la presin de vapor del disolvente puro multiplicada por la fraccin mol del disolvente en la solucin.

Esta ley de Raoult es un ejemplo de ley lmite. Las soluciones reales se ajustan ms a la Ley de Raoult mientras ms diluidas estn las soluciones. La solucin ideal se define como aqulla que obedece la Ley de Raoult en todo el intervalo de concentraciones.

A partir de la ecuacin anterior podemos calcular la disminucin de la presin de vapor:

La disminucin de la presin de vapor es proporcional a la fraccin mol del soluto. Si estn presentes varios solutos, la ecuacin se transforma en:

En una solucin que contiene varios solutos no voltiles, la disminucin de la presin de vapor depende de la suma de las fracciones mol de los diversos solutos.

1.2. CARACTERISTICAS:

Las soluciones ideales formadas por dos lquidos miscibles se caracterizan por: Presencia de proporcionalidad directa entre la presin de vapor del lquido y su concentracin molar. Ausencia de calor de disolucin cuando se mezclan los lquidos Los volmenes de los componentes son aditivos (es decir, no hay contraccin de volumen) las sustancias que forman estas soluciones tienen polaridades muy semejantes entre s. Sus componentes pueden mezclarse entre s en cualquier proporcin, o sea, que la solubilidad de cada uno de ellos en el otro es ilimitada. No se consume ni libera energa al formar la disolucin partiendo de sus componentes (sin variacin trmica). No hay cambio de volumen al formar la mezcla (sin variacin de volumen). La naturaleza qumica de ambos lquidos deben ser muy semejantes.En la prctica las disoluciones muy diluidas se comportan como disoluciones ideales.Ejemplo de esto son las disoluciones formadas por los componentes: benceno-tolueno benceno xileno n. hexano- n heptano (30oC) bromuro de etilo-yoduro de etilo cloruro de n-butilo bromuro de n-butilo (50oC) Cuya analoga es evidenteo

1.3. DESVIACIONES DE LA LEY DE RAULT

Cuando existen interacciones entre las molculas de A y B de una mezcla, la presencia de una de ellas afectar a la tendencia al escape de la otra.Si B presenta fuerzas intermoleculares entre s mayores que las de A entre s, el efecto que producir agregar molculas de B al lquido A ser aumentar la tendencia al escape de este ltimo; por lo tanto la presin de vapor de A ser mayor a la del lquido puro. Este comportamiento se denomina desviacin positiva de la ley de Raoult.En cambio, si las molculas de A interaccionan ms fuertemente con las molculas de B que consigo mismas, la presin de vapor de A ser menor que la del lquido puro. Este tipo de comportamiento se conoce con el nombre de desviacin negativa de la ley de Raoult.

1.4. APLICACIN

La teora de ladestilacines una de las aplicaciones de la ley de Raoult.Se emplea con el objetivo de separar los componentes puros. Si estos poseentemperatura de ebullicinmuy diferentes se separan por destilacin simple y si poseen temperatura de ebullicin muy prximos pordestilacin fraccionada.

2. Relacin Equilibrio Vapor Lquido

Las columnas de destilacin son diseadas basadas en las propiedades del punto de ebullicin de los componentes de las mezclas siendo separadas. Por tanto los tamaos, particularmente altos, de las columnas de destilacin estn determinados por la informacin equilibrio lquido-vapor (ELV) de las mezclas. 2.1. Curvas Equilibrio Lquido-Vapor (ELV) La informacin de ELV a presin constante es obtenida de los diagramas de punto de ebullicin. La informacin de mezclas binarias es frecuentemente presentada en una grfica. La grfica ELV nos muestra el punto de burbuja y el punto de roco de una mezcla binaria a presin constante La lnea curva es llamado la lnea de equilibrio, y describe las composiciones de lquido y vapor en equilibrio a una presin determinada.Figura 1. Diagrama de Curva de Equilibrio

La transferencia de materia alcanza un lmite cuando se llega al equilibrio entre las fases, y en este momento cesa la transferencia neta de alguno de los componentes. Por tanto, para que exista una fuerza impulsora de transferencia de materia se debe evitar llegar al equilibrio. El conocimiento del equilibrio entre las fases es muy importante para evaluar las fuerzas impulsoras. La composicin del vapor en equilibrio con un lquido, de una composicin dada, se determina experimentalmente mediante un destilador de equilibrio, denominado ebullmetro.Si se consideran mezclas binarias cuyos componentes sean A y B, en las que A es el componente ms voltil, la representacin grfica del equilibrio requiere un diagrama tridimensional. Aunque para un estudio ms fcil se consideran secciones a temperaturas y presiones constantes, obtenindose el diagrama isotermo e isobaro, respectivamente.

Figura 2. Diagrama temperatura-composicin

En el diagrama isobaro o diagrama de punto de ebullicin, a presin constante, se observan dos curvas, una superior que refleja la variacin de la composicin del vapor con la temperatura de ebullicin del lquido. Esta curva es la denominada curva de roci o de condensacin. La curva inferior, llamada curva de burbuja o ebullicin, muestra la relacin entre la temperatura de ebullicin y la composicin del lquido a presin constante. Las dos curvas delimitan tres zonas en el diagrama (figura 20.1). Una primera zona situada por debajo de la curva del punto de burbuja, en la que cualquier punto representa un sistema que se encuentra en fase liquida. La zona situada por encima de la curva de punto de roco, en la que cualquier punto indica que el sistema que se representa se encuentra en fase vapor. Entre las dos curvas, de roco y de burbuja, se encuentra encerrada una tercera zona, en la que cada punto representa sistemas que son mezclas de dos fases. As, el punto M del diagrama, que se encuentra en esta tercera zona, representa un estado en el que el sistema est constituido por una mezcla de lquido de composicin XL y de vapor de composicin XN, siendo la composicin global del sistema XM. La recta L_N_ recibe el nombre de recta de reparto.

2.2. El diagrama del punto de ebullicin El diagrama del punto de ebullicin muestra como varan las composiciones de equilibrio de los componentes de una mezcla lquida con la temperatura a una presin determinada. Considere como ejemplo de una mezcla lquida que contiene 2 componentes (A y B), una mezcla binaria. Este tiene el diagrama de punto de ebullicin que se muestra en la grfica.Figura 3. Diagrama de punto de ebullicin

El punto de ebullicin de A es el que corresponde cuando la fraccin molar de A es 1. El punto de ebullicin de B es el que corresponde cuando la fraccin molar de A es 0. En este ejemplo, A es el componente ms voltil y por tanto tiene un punto de ebullicin menor que el de B. La curva superior en el diagrama es llamada la curva del punto de roco mientras que una es llamada la curva del punto de burbuja. El punto de roco es la temperatura al cual el vapor saturado. El punto de burbuja es la temperatura al cual el lquido comienza a hervir. La regin arriba de la curva del punto de roco muestra la composicin de equilibrio del vapor sobrecalentado mientras la regin debajo de la curva del punto de burbuja muestra la composicin de equilibrio del lquido subenfriado. Por ejemplo, cuando un lquido subenfriado con fraccin molar de A =0.4 (punto A) es calentado, su concentracin permanece constante hasta alcanzar el punto de burbuja (punto B), por lo que empieza a ebullir. El vapor evoluciona durante la ebullicin hasta alcanzar la composicin de equilibrio dada por el punto C, aproximadamente donde la fraccin molar de A es 0.8. Esto es aproximadamente 50% ms rico en A que el lquido original. La diferencia entre las composiciones de lquido y vapor es la base de las operaciones de destilacin.

3. Mezclas Azeotrpicas

Mezcla azeotropica es aquella mezcla lquida de dos o ms componentes que poseen una temperatura de ebullicin constante y fija, esta mezcla azeotropica se forma debido a que al pasar al estado vapor se comporta como un lquido puro, es decir como si fuese un solo componente, esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporacin parcial del lquido tiene la misma composicin que el lquido.Un azetropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el lquido con la misma composicin inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilacin simple, por lo que es necesario aadir otro componente para romper la mezcla azeotrpica.Si las temperaturas son muy altas, se puede utilizar la destilacion al vacio, lo que disminuye los puntos de ebullicin de las sustancias, asi como la proporcin de las mezclas.La composicin de la mezcla azeotrpica cambia si cambia la presin exterior, pudiendo incluso a desaparecer dicha mezcla. Esto ocurre porque la temperatura de ebullicin depende de la presin exterior.

4. Mtodos de Destilacin

4.1. Destilacin fraccionadaLa destilacin fraccionada es una variante de la destilacin simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar lquidos con punto de ebullicincercanos.La principal diferencia que tiene con la destilacin simple es el uso de unacolumna de fraccionamiento. sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el lquido condensado que desciende, por la utilizacin de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los lquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los lquidos con menor punto de ebullicin se convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullicin pasan al estado lquido.La temperatura aumenta hasta que se mantiene el mismo grado por un tiempo, luego sigue aumentando hasta un grado diferente, el cual se mantiene tambin por un tiempo. Esto significa que primero se evapora toda una sustancia dentro de la mezcla. Ms tarde, cuando se termina de evaporar, la temperatura aumenta hasta llegar al punto de ebullicin de la segunda sustancia, donde frena y empieza a evaporarse esta sustancia. Por ejemplo: el agua y la acetona. La temperatura aumenta hasta los 60 C (P.E. del acetona), despus de un rato, la temperatura vuelve a subir (o sea, la acetona se evaporiz toda) hasta los 100 C (P.E. del agua).

4.2. Destilacin por vaporLa destilacin por arrastre de vapor tiene como objetivo Separarlos componentes de una mezcla, cuyo punto de ebullicin sea alto y obtener el aceite esencial de un producto natural, mediante la destilacin por arrastre de vapor.La extraccin de esencia a partir de vegetales por destilacin con arrastre de vapor obedecera al efecto combinado de la difusin molecular- evaporacin transporte convectivo generado por el vapor caliente que llega hasta los sacos o vacuolas que contienen las sustancias odorferas, vence y rompe la resistencia de las paredes celulares de los capilares, calienta, se difunde molecularmente, evapora las esencias a una velocidad que depende del estado en que se encuentran las esencias y los transporte por conveccin a la boca del poro capilar y luego a la parte externa y superior del destilador rumbo al condensador.http://es.slideshare.net/ferchohuertadector/destilacion-por-arratre-de-vapor

4.3. Destilacin destructivaCuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponindose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operacin, el proceso se llama destilacin destructiva. Las aplicaciones ms importantes de este proceso son la destilacin destructiva del carbn para el coque, el alquitrn, el gas y el amonaco, y la destilacin destructiva de la madera para el carbn de lea, el cido etanoico, la propanona y el metanol. Este ltimo proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petrleo es similar a la destilacin destructiva.

4.4. Destilacin por columnaUna columna de destilacin es una estructura cerrada en la cual se realiza la separacin fsica de un fluido en dos o ms fracciones. Esta separacin se logra sometiendo el fluido a condiciones de presin y temperatura apropiadas a lo largo de la columna, de modo de lograr que las fracciones que se buscan separar se encuentren en dos estados diferentes. La fraccin ms pesada (en estado lquido) baja por gravedad, mientras que la ms liviana (en estado gaseoso) sube y se condensa en las partes superiores

Estructura de platos

En la figura de la derecha se muestra un corte longitudinal de un sector de una torre con estructuras de platos de un solo bajante. Tal como se aprecia, los bajantes de los platos van alternndose a un lado y al otro de la torre sucesivamente obligando al lquido a recorrer un largo camino zigzagueante hacia la parte inferior de la torre. El gas se desplaza en la direccin contraria, es decir hacia arriba, tal como lo indican las flechas y pasa de un plato a la regin del plato inmediato superior a travs de unos ductos ubicados en la parte activa de los mismos donde se realiza el contacto entre el lquido que baja y el gas que sube. Los ductos pueden ser simples orificios o estructuras compuestas por partes rgidas o movibles cuya funcin es ayudar a impedir el desplazamiento del lquido hacia abajo a travs de los ductos, facilitando el transporte del gas hacia arriba de modo de forzar el contacto gas-lquido sobre la parte activa del plato. Existen platos con dos y tres bajantes cada uno, platos de chimeneas y otros para funciones especiales.

Balance de materia y energa

EJERCICIOS:1. En una columna de destilacin se procede a la separacin de 10000 kg/h de una mezcla de benceno y tolueno al 50%. El producto recuperado, tras condensar el vapor (V) en cabeza de columna, contiene un 95% de benceno y el residuo recogido en cola de columna (w), un 96% de tolueno. La corriente de vapor que llega al condensador es dde 8000 kg/h. una parte del producto se regresa a la columna como reflujo(R) Cul es la relacin entre el flujo y el producto destilado (R/D)? (nota todos los porcentajes son en peso)

BASE DE CALCULO: 1 HORA E = SBalance global del sistema:C6H6=> 5000 = 0.04* W + 0.95*DD = 5055 kg/hW = 4945 kg/h

C7H8=> 5000 = 0.96*W+0.05*DTOTAL=> 10000 = W + D

Balance a la salida del condensador:Total=>V = R + DR = 2945 kg/hR/D = 0.583

2. Obtener la masa y composicin de las corrientes P y B sabiendo que la relacin entre la corriente de alimentacin y destilado es de 10

Sabemos que la corriente de destilados es la dcima parte de la alimentacin

Aplicando un balance de materia total1000 = 100 + B B = 900 kgAplicando balance de materia a etanol y agua se obtiene su fraccin msica en la corriente B EtOH: (0.10)(1000) = (0,60)(100) + WEtOH,B(900) WEtOH, B = 0,044 H2O: (0,9)(1000) = (0,04)(100) + WH2O, B(900) WH2O,B = 0,9563. En un proceso de destilacin con reflujo de una mezcla de componentes A y B, cuya curva de destilacin queda reflejada en el grfico adjunto, se introduce en la columna de fraccionamiento 150 mol h-1 de disolucin de fraccin molar 0,29 en A a 110C. si las temperaturas del vapor y lquido obtenidos son respectivamente de 49 y 140 C, determinar.

a. La fraccin molar en A del vapor y lquido obtenido.b. El caudal del lquido y vapor condensado a la salida del destilador.c. El rendimiento del proceso de obtencin del componente A en el vapor.

BASE DE CALCULO: 1 HORA

Balance de A:150 * 0.29 = 0.84 * QV + 0.10 QL = 43.5Balance total150 = QV + QLQL = 111.5 mol h-1QV = 38.5 mol h-1R (%) = 38.5 * 0.84 / (150 * 0.29) * 100 = 74%

CONCLUSIN:

En consecuencia la destilacin es unmtodode separacin demezclasy es el ms til para purificar lquidos. Es decir; es un proceso que consiste 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 El objetivo principal de la destilacin es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales voltiles de los no voltiles.En la evaporacin y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos voltil; el componente ms voltil, casi siempre agua, se desecha.Sin embargo, la finalidad principal de la destilacin es obtener el componente ms voltil en forma pura. Por tal razn hemos llegado a la conclusin, de que para realizar cualquier separacin de mezclas primero debemos saber sobre suestadofsico, caractersticas y propiedades. Lo que significa, es interesante realizar una mezcla, pero es ms importante tener claro cuales componentes se mezclan para que la hora de separar usemos la tcnica ms adecuada.

BIBLIOGRAFIA: Paginas consultadas en laWeb: Lus Saavedra Arriteta Instituto SICE y /www.iadb.org/2006 Carrillo, Juan Maturn, Mayo de 2006 Wwwikipedia.com www.monografias.com http://operaciones-unitarias-1.wikispaces.com/Tipos+de+Destilacion

Ingeniera de Alimentos III18