PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
SECCIÓN INGENIERÍA INDUSTRIAL
LABORATORIO DE PROCESOS INDUSTRIALES
Laboratorio N° 3
PROCESO DE DESTILACIÓN FRACCIONADA
GRUPO HORARIO: H-831
JEFE DE PRÁCTICA: Ing. Fernando Villanueva
INTEGRANTES:
CÓDIGO NOMBRES Y APELLIDOS % PARTICIPACIÓN
20122072 Vidal Mancilla, Carlos Gabriel 100
FECHA DE REALIZADA LA PRÁCTICA: 5 de noviembre
FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: 7 de noviembre
2015
Contenido
I. Introducción...............................................................................................................................3
II. Recolección y procesamiento de Datos......................................................................................4
III. Cálculos y resultados..............................................................................................................6
IV. Análisis y discusión de resultados...........................................................................................8
V. Conclusión..................................................................................................................................9
VI. Recomendaciones................................................................................................................10
VII. Resolución de Caso-Problema..............................................................................................11
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I. Introducción
La destilación constituye una de las principales técnicas de laboratorio para purificar
líquidos volátiles, en la industria se utiliza ampliamente en la obtención de bebidas
alcohólicas, en el refinado del petróleo, en procesos de obtención de productos
petroquímicos de todo tipo, obtención de Nitrógeno y Oxigeno mediante la destilación del
aire y en muchos otros campos de la industria. Es uno de los procesos de separación más
extendidos. La destilación es la separación de los constituyentes de una mezcla líquida
por medio de la vaporización parcial de la mezcla, el proceso consiste en calentar una
mezcla líquida 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 componentes
líquidos puros 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.
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II. Recolección y procesamiento de Datos
Procedimiento:
Medir la concentración de alcohol (%v/v) de la solución de alimentación F con el alcoholímetro Gay Lussac.
Iniciar el proceso de destilación a modo de destilación simple (sin reflujo) y medir el flujo del Destilado (D), su concentración de alcohol (%v/v) y temperatura, así como el flujo y las temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento, y la temperatura de la cabeza de la columna, tomando como dato, para efecto de los cálculos, la que se encuentre en estado estacionario.
Encender la bomba de reflujo manteniendo niveles de flujo de 100, 125 y 150 ml/min., en cada caso medir los flujos del Destilado (D), su concentración de alcohol (%v/v) y temperatura, así como el flujo y las temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento, y la temperatura de la cabeza de la columna, tomando como dato, para efecto de los cálculos, la que se encuentra en estado estacionario para cada caso.
Evaluar el efecto en el destilado al aumentar la concentración de alcohol de la alimentación.
Insumo:
● Etanol al 14.3% en volumen de alcohol
Equipos y herramientas:
● Columna de destilación fraccionaria
● Balanza analítica
● Alcoholímetro Gay Lussac
● Termómetro
● Probeta de 200 ml
● Probeta de 500 ml
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● Cronómetro
Datos Recolectados:
Agua de enfriamiento VL
(ml/min)VD
(ml/min)XD (%v/v) TD (ºC) TW (ºC) T vapor top
(ºC)VA (l/min) Te (ºC) Ts (ºC)
100
43 42 23.8 99 97 3.33 22.5 3946 36 23.5 99 97 3.33 22.5 3950 34 23.7 99 97 3.33 22.5 3955 35.7 25.1 99 97 3.33 22.5 39
15021.5 56 24.8 99 93 3.33 22.5 37.232 59 25.1 99 90 3.33 22.5 37.2
28.6 61.4 24.7 99 90 3.33 22.5 37.2
VF (ml/min) 150XF (% v/v) 14.3TF (ºC) 22.5
III. Cálculos y resultados
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W
Xw % p/p Tw
VD
XD % v/v TD
Tw
Ttop
VL
C
Te
Ts
VF: 150 ml/min XF: 14.3% v/v TF: 22.5 ºC
Qc
DIAGRAMA DE DESTILACIÓN FRACCIONADA
ρaclcohol 1000 kg/m3
ρH2O 789 kg/m3
X V/V Ρ X% P/PF 14.3 0.98177 11.63%
D100 35.7 0.95812 30.46%
D150 61.4 0.91028 55.65%
Balance de masa total:
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X% P /P= X V /V∗ρalcohol
XVV
∗ρalcohol∗(100−X )∗ρ H 2O
F = D + WVF *ρF= VD*ρD + W
Vf ρf (Tabla) VD ρD (Tabla) F=VF *ρF D=VD*ρD W=F-VD100 150 0.98177 55 0.95812 147.266 52.697 94.569D150 150 0.98177 28.6 0.91028 147.266 26.034 121.231
Balance de alcohol:
XF%PP
∗F=XD%PP
*D+XWPP
*W
XF% P/P F XD% P/P D W XW% P/P
D100 11.63% 147.266 30.46% 52.697 94.569 1.14%D150 11.63% 147.266 55.65% 26.034 121.231 2.18%
Balance del tanque:
C = L + DC = VL*ρD +VD*ρD
L=VL*ρD D=VD*ρD C=L+DD100 95.812 52.697 148.509D150 136.542 26.034 162.576
Balance de energía de calor liberado Qc:
Qc=VA∗Cpagua∗(Ts−Te)
VA Cp agua Ts-Te Qc(KJ)D100 3.33 4.186 16.5 230.000D150 3.33 4.186 14.7 204.909
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Balance de energía de calor suministrado QR:
HF*F+QR¿Qc+¿HD*D+HW*W
Balance de energía del calor latente de condensación λ:
Qc=C∗λ+C∗Cpmezcla∗(Ttop−TD)
C(kg/min) Ttop(ºC) TD(ºC) Qc λ (KJ/kg)D100 0.1485086 97 25.1 230.000 1284.98673D150 0.16257601 90 24.7 204.909 1020.85476
IV. Análisis y discusión de resultados
En la tabla que se presenta a continuación se tiene el consolidado de los dos estados estables para los reflujos de 100 y 150 ml/min:
Hora VL
(ml/min)VD
(ml/min)XD (%v/v)
T vapor top (oC)
VA (l/min) Te (oC) Ts (oC) W XW C Qc(KJ) QR(KJ) λ (KJ/kg)
9:20 100 55 35.7 97 3.33 22.5 39 94.569 1.14% 148.510 230.000 261.624 1284.9867311:30 150 28.5 61.4 90 3.33 22.5 37.2 121.231 2.18% 162.576 204.909 245.449 1020.85476
Agua de enfriamiento Fondos
Podemos señalar los siguientes patrones:
El flujo del destilado disminuye de 55 a 28.5 ml/min, esto es razonable debido a que el reflujo aumenta.
La concentración de alcohol aumenta de 35.7% a 61.4%, siendo inicialmente antes de comenzar el destilado 14.3%, con este resultado se podría concluir que se logró el objetivo del laboratorio ya que se logró incrementar la pureza de la mezcla.
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HF(KJ/kg) HD(KJ/kg) HW(KJ/kg) Qc(KJ) QR(KJ)D100 83.6 83.6 418.000 230.000 261.624D150 83.6 83.6 418.000 204.909 245.449
La temperatura de vapor top disminuye, lo cual de acuerdo a nuestros cálculos y marco teórico también es esperado, debido a que se requerirá menor calor latente de condensación.
Las variables medidas del agua de enfriamiento permanecen constantes menos la temperatura de salida que es la única que entra en contacto y depende de la temperatura del condensador.
En el fondo aumentará el flujo de salida W puesto a que al aumentar el reflujo de salida del condensador existirá un mayor flujo que regresa y como se aumenta la pureza de todo la columna de destilación, de manera indirecta también aumenta la concentración de alcohol en el fondo.
Todos los calores tanto del calor suministrado, como el liberado y el calor latente de condensación disminuyen puesto a que se requiere menores temperaturas.
V. Conclusión
● Al concluir el laboratorio, se logró aumentar la concentración de alcohol en una
solución compuesta por agua y alcohol de un 14.3% a un 61.4% mediante el
proceso de destilación fraccionada. Este tipo de destilación resulta más apropiado
que una destilación simple, pues los puntos de ebullición de ambas sustancias
difieren en menos de 80 °C. Se concluye que el proceso de destilado es una
opción viable para la purificación y el aumento de concentración del alcohol en una
mezcla, debido a que procesos como la fermentación tienen capacidades limitadas
en pureza del 15 al 17% mientras que con el destilado se puede alcanzar purezas
del 99%.
● Se observó que a medida que el reflujo de la salida del condensador aumentaba
también aumentaba la concentración de alcohol en el destilado, esto por supuesto
una vez que el proceso se encontraba en un estado estacionario, donde se
encontraba en equilibrio puesto que sus propiedades no variaban en el tiempo.
Esto se debe a que al tener un reflujo mayor existirá un mayor contacto en los
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platos de destilación entre el vapor que sale del hervidor y el líquido proveniente
del reflujo, de manera que los gases que se dirigen al condensador entrarán
cargados de mayor concentración de alcohol, obteniendo de esa forma un
destilado con mayor pureza.
Por último también se corroboró ciertos aspectos teóricos dentro del campo
practico, al momento de aumentar el reflujo ocurrirían ciertas variaciones en el
sistema como la disminución de la temperatura de tope que disminuyó de 97 ºC a
90 ºC, esto ocurre porque el calor latente de condensación necesario sería menor
a lo requerido anteriormente puesto que hay más contenido líquido en el vapor, el
flujo del destilado disminuirá porque el reflujo al ser mayor entonces reduce el flujo
que antes desembocaba en el envase del destilado, en nuestro caso se redujo de
55 ml/min a 28.5 ml/min; de manera inversa el flujo del fondo aumentará porque
existe un mayor flujo que regresa a la zona de agotamiento.
VI. Recomendaciones
Existen mediciones como las que se realizan al flujo del agua de enfriamiento que
no son muy críticas en cuanto a la determinación de la eficiencia del proceso de
destilado, en este caso del tipo fraccionada, es por ello que se miden solo cuando
está en estado estacionario, pero existen otras mediciones que deben ser medidas
todo el tiempo y que su medición debe ser muy exacta puesto a que un pequeño
error significaría un resultado muy diferente, en este caso la determinación del
caudal del destilado debe ser muy preciso, incluso con un cronómetro a nuestro
equipo de trabajo le resultaba complicado que la persona que sujetaba la probeta
estuviera sincronizada con la persona que tenía el cronómetro y llevaba cuenta del
tiempo, en este caso sí notamos que un segundo más podía hacer una notable
diferencia.
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Otra recomendación pero a nivel técnico del laboratorio es la inspección y
mantenimiento de las máquinas y equipos de transmisión de energía puesto a que
la bomba constantemente se apagaba sin razón aparente, lo cual demoró a
nuestro equipo de trabajo y también no permitió que tomáramos muestras con un
reflujo de 125 ml/min sino que de manera inmediata fuéramos a 150 ml/min, sin
embargo esto no significo un mayor problema, debido a la buena intervención del
jefe de laboratorio, quien en todo momento estuvo atento a las dificultades
técnicas y pudo aprovechar los espacios mientras esperábamos que el proceso se
volviera a estabilizar con explicaciones teóricas que sirvieron para enriquecer
nuestra comprensión del tema.
VII. Resolución de Caso-Problema
CASO 1:
Alimentación inicial: 150 ml/min, concentración del 14.3% (v/v) Destilado con reflujo de 150 ml/min, se obtuvo una concentración del 61.4% (v/v) Flujo del calor suministrado por el reboiler : 245.499 KJ/min Costo 0.45 s/./ KW-h
Energía QR 4.091 kwCosto energía 0.45 soles/kw-h
Costo máquina 2 soles/hora
Destilado 1.71 litro/horaPrecio aprox. 4.504 soles/litro
Tiempo 4 horasIngresos 30.805 soles
Egresos energía 7.363 solesEgresos maquina 8 solesUtilidad (margen) 15.441 soles
Los costos que no se están considerando son los de costo de materia prima, mano de obra directa del personal encargado de la manipulación de las maquinas, la depreciación y mantenimiento de las máquinas y otros costos fijos como el alquiler del local.CASO 2:
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a)
Tiempo neto 642 horasProducción horaria 1.71 litros/horaTotal 1097.82 litros
b) En el caso anterior se identificó que habrían 8 turnos de 72horas, 2 turnos de 12horas y 1 turno de 64horas de trabajo sin interrupción, lo que da un total de 11 turnos, por lo tanto en cada turno deberán pasar 2 horas para producir a la calidad adecuada, es decir habrán 22 horas menos de tiempo productivo al 100%
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Horas al mes 7204h/cada 72h 7612h/ cada 240 h 252En 240 h hay 3 76 228 h
1 12 12 h240 h
2 252 504 hsobra 216
2 76 152 hsobra 64
Trabajo neto 664 horasTiempo ajuste 4h 32 horasTiempo ajuste 12h 24 horas
720 horas
h (todo junto)h (todo junto)
En 720h hay
En 216 h hay
Tiempo neto 664 horasProducción horaria 1.71 litros/horaTotal 1135.44 litros