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Este fascículo ha sido escrito para presentar a los estudiantes profesionales y personas interesadas en la materia de la destilación binaria por el método propuesto por los científicos Marcel Ponchon y R. Savarit. Este tipo de destilación es muy utilizada en la industria petroquímica, vitivinícola y química para la separación de mezclas líquidas miscibles. Los lectores que empleen este libre deberían estar familiarizados con los balances de materia y energía, con fisicoquímica, termodinámica y con las operaciones unitarias de transferencia de momentum, calor y masa que esos conocimientos son útiles para entender la materia de qué trata este libro Es fascículo ha sido diseñado para adentrar al lector poco a poco en la operación unitaria de destilación binaria mediante el aprendizaje de conceptos, habilidades y aplicación de a la resolución de problemas.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Destilación binaria por el método deDestilación binaria por el método de Ponchon y SavaritPonchon y Savarit Antonio Valiente BarderasAntonio Valiente Barderas
Antonio Valiente Barderas Curriculum resumido Antonio Valiente Barderas nació en Madrid, España en 1941. Al emigrar sus padres lo trajeron a México en 1950. Desde 1955 tiene la nacionalidad mexicana. Es ingeniero químico egresado de la Facultad de Química de la UNAM en 1965, casado y con tres hijos. Tiene la maestría en Ingeniería Química del Tecnológico de Loughborough en Inglaterra en 1970 y la Maestría en Administración Industrial de la Facultad de Química de la UNAM y el Doctorado en Docencia en la Universidad la Salle de México. Es profesor universitario desde 1966 y profesor de tiempo completo en la Facultad de Química de la UNAM desde 1971 en donde ha sido, entre otras cosas, Jefe del laboratorio del Ing. Química y Coordinador de la misma carrera. Ha dado, además, clases de ingeniería química en la U. Ibero Americana, U. La Salle, la Universidad Simón Bolívar, la U.A. de Yucatán, la U.A. del Carmen, la U.A. de Baja California, la U.A. de Veracruz en Xalapa, la U.A. del Valle de México el Tecnológico de Monterrey Campus Edo. De México. Es autor de 17 libros y más de 30 artículos sobre la ingeniería química y ha dirigido 87 tesis de licenciatura sobre la especialidad. Sus áreas de interés son las Operaciones Unitarias y la Enseñanza de la Ingeniería Química. Actualmente trabaja en la Facultad de Química de la UNAM, en donde es profesor titular e investigador, tiempo completo nivel C y tiene una antigüedad de más de 34 años en la UNAM. En 1998 La Sociedad Química de México le otorgó el premio nacional Andrés Manuel del Río en docencia.
Antonio Valiente Barderas Introducción HISTORIA DE LA DESTILACIÓN La operación unitaria de destilación es una de las más empleadas en la industria química, petroquímica, alimentaria, farmacéutica y perfumera, para la separación de los componentes que forman mezclas líquidas miscibles. La destilación es una operación unitaria de transferencia de masa, tal como la absorción o la cristalización. De acuerdo con el diccionario (Valiente, 1990) la destilación es la operación cuyo fin es la separación de dos o más líquidos miscibles mediante la ebullición. Los vapores obtenidos se recuperan como producto deseable y se condensan. Los vapo- res condensados son más ricos en el líquido o líquidos más volátiles, mientras que los fondos, o líquidos remanentes, son más ricos en las sustancias menos volátiles. Esta operación recibe también los nombres de alambicación, refinación, agotamiento, fraccionamiento y rectificación. Origen Hasta donde se sabe, el proceso de la destilación fue inventado por los alquimistas egipcios, quienes emplearon gran cantidad de aparatos diseñados para vaporizar sustancias volátiles y tratar los metales con ellas. Parece que, ocasionalmente, se realizaba una especie de destilación de líquidos. Por ejemplo, se calentaba agua de mar en calderos cubiertos y se sacudían las gotas condensadas en las tapaderas, con el fin de usadas como agua para beber. Asimismo, el aceite de pez se elaboraba por el calentamiento del alquitrán y la subsecuente condensación de su vapor. El mercurio se obtenía al calentar el cinabrio (mineral de sulfuro de mercurio) sobre un plato de hierro, colocado dentro de una olla cubierta con un puchero Figura 1. Alambique. o "ambix", en el que se condensaba el vapor de mercurio. Posteriormente, ese término se usó para denominar al aparato completo de la destilación, en árabe al
Antonio Valiente Barderas La modernidad Los primeros libros sobre destilación aparecieron en el siglo XVI (Brunschwig, 1500; Andrew, 1527); uno de ellos aparece más tarde, escrito por Libanius (1606). Boyle destiló alcohol de madera y vinagre, y recibió las diferentes fracciones de acuerdo con sus puntos de ebullición, lo que constituyó probablemente la primera destilación analítica. Tuvieron que pasar muchos siglos para que, al llegar la revolución Industrial, se encontraran nuevos usos para la destilación. En esa época los experimentos realizados para obtener coque de buena calidad demostraron que el carbón desprende un gas inflamable al ser calentado. Ese gas no tardó en ser aprovechado para producir gas de alumbrado. Con ello, 1os sub productos de la industria del gas adquirieron una importancia creciente. Entre ellos estaba el alquitrán, del que se obtenía benceno, el cual, al descubrirse los colorantes sintéticos en 1856, condujo a 1as plantas destiladoras de alquitrán de hulla. En 1800 Rumford usó vapor de agua como agente térmico. En aquel tiempo los investigadores franceses de vanguardia habían diseñado y ensayado las llamadas columnas de destilación. Estas progresaron apreciablemente con el invento de la columna de rectificación de Cellier Blumenthal, en 1813. En 1822, Perrier inventó las campanas de burbujeo y desarrolló un alambique continuo, con precalentamiento de la alimentación y uso de reflujo interno. Por otra parte, Adam y Bérad diseñaron pendientemente columnas para rectificar el alcohol extraído del vino. Blumenthal, combinó los principios utilizados por los dos inventores, para fabricar una columna que proporcionaba una corriente de alcohol rectificado a partir de una alimentación continua de vino; logró así el primer proceso de destilación a régimen permanente. Para 1850, las columnas rectificado ras de la industria del alcohol se empezaron a utilizar en las industrias del petróleo y del alquitrán de hulla. Entre 1860 y 1880, se descubrieron productos químicos valiosos tales como el benceno, el tolueno y el xileno, .mediante la destilación del alquitrán. A mediados del siglo pasado se descubrió la forma de fabricar vidrio transparente, dúctil y capaz de soportar el calentamiento y enfriamiento continuos. Este vidrio tuvo su aplicación inmediata en la fabricación de aparatos y material de laboratorio. Ello significó una enorme ventaja sobre los equipos de metal y cerámica que se venían utilizando, especialmente por la resistencia química del vidrio, su transparencia y su maleabilidad, lo que permitió la fabricación de nuevos y complicados instrumentos de laboratorio. En el campo de la destilación, los alambiques se modificaron y aparecieron los matraces, columnas y condensadores, semejantes a los empleados hoy. Desde entonces, la destilación ha sido una de las técnicas de separación más empleadas en los laboratorios y en la investigación química, al tiempo que se la utiliza también como una técnica analítica. Por otra parte, desde mediados del siglo pasado los equipos más utilizados industrialmente estaban hechos de acero o de otros tipos de metal y recibieron el nombre de columnas de rectificación o columnas de destilación. Se trata de un equipo que consta de un calderín o rehervidor (en el cual se genera vapor), una columna con platos o con empaques (en la cual se lleva a cabo la rectificación, al ponerse los vapores en contracorriente con el líquido) y un condensador (en el cual se condensan los vapores salientes del domo, se regresa parte de ese líquido como "reflujo" y se extrae parte del mismo como un destilado o producto del domo), figura
Antonio Valiente Barderas En estas columnas, la alimentación se efectúa por lo general cerca del centro de la columna. La parte por arriba de la alimentación recibe el nombre de sección de rectificación o de enriquecimiento y la parte de abajo sección de agotamiento. La industria de la reformación del petróleo sufrió también modificaciones profundas bajo el impacto de la investigación científica. En 1859 el coronel Drake demostró por primera vez la posibilidad de extraer el petróleo crudo I Figura 3. Esquema de una columna moderna de rectificación. del subsuelo por medio de la perforación, para no tener que depender exclusivamente de las afloraciones. Hasta 1900, cuando la industria automotriz daba apenas los primeros pasos, la industria del petróleo se había restringido a la producción de queroseno. Los procesos de refinación del petróleo y el correspondiente aparato técnico, eran en su mayoría adaptaciones de otras industrias, como la del alquitrán de hulla y la del alcohol. Gradualmente, las industrias del petróleo pusieron en práctica métodos más científicos en la destilación y refinación del petróleo. Este cambio recibió el impulso de la creciente demanda de productos distintos del queroseno: lubricantes, parafinas, asfalto, aceite combustible y sobre todo gasolina, que entonces se necesitaban en cantidades mayores cada vez para automóviles y aviones. Trumble, en Estados Unidos, ideó en 1812 la combinación de un destilador de tubos con columnas desolladoras y evaporadores. Esto resultó ser un sistema extraordinariamente flexible para adaptar las unidades destiladoras a la diversidad de crudos existentes. La refinación química, originalmente un proceso por lotes, se hizo entonces automática, hasta convertirse en una
Antonio Valiente Barderas Figura 8 Diagrama de puntos de ebullición para el sistema Benceno ( A) – Tolueno (B). La línea superior es la de vapor saturado (línea de puntos de rocío) y la línea inferior es la de líquido saturado (línea de puntos de burbuja). La región de dos fases está localizada en la zona situada entre estas dos líneas. En la figura 8, si se empieza calentando una muestra líquida fría de xA 1 =0.318, la ebullición se inicia a 98° C y la composición del primer vapor en el equilibrio es y
A 1 =^ 0.532.^ A medida^ que continúa^ la ebullición, la composición^ x^ A se desplazará hacia la izquierda, puesto que y
A es^ más^ rico^ en^ A. LAS SOLUCIONES IDEALES En realidad no existen soluciones ideales y las mezclas reales sólo tienden a ser ideales como límite. La condición ideal requiere que las moléculas de los componentes sean similares en tamaño, estructura y naturaleza química; tal vez la aproximación más cercana a dicha condición sea la ejemplificada por las soluciones de isómeros ópticos de compuestos orgánicos. Sin embargo, prácticamente muchas soluciones se encuentran tan cerca de ser ideales que para fines de ingeniería se pueden considerar como tales. El sistema Benceno –Tolueno, es por lo tanto una solución ideal que obedece la ley de Raoult por lo que el diagrama de puntos de ebullición puede determinarse a partir de los datos de presión de vapor de la tabla 1, junto con las siguientes ecuaciones:
Antonio Valiente Barderas Para una solución ideal la presión parcial en el equilibrio P* de un componente a una temperatura fija es igual al producto de su fracción mol en el líquido ( x ) por su presión de vapor P° cuando está pura a esta temperatura. Esta es la ley de Raoult. (1) P
A =^ P°A xA P
B = P°B ( 1 –xA ) Si la fase vapor también es ideal, Pt = P
A +^ P
B =^ P°A xA + P°B ( 1 – xA )^ (2) Y las presiones totales al igual que las parciales, son líneas en x a una temperatura dada. Estas relaciones se muestran de modo gráfico en la figura 3. Entonces puede calcularse la composición del vapor en el equilibrio a esta temperatura. Por ejemplo el valor de y* en el punto D sobre la figura 3 es igual a la relación entre las distancias FG y EG, y*A =
P °^ A xA (3) 1 – y*A =
P ° (^) B 1 − xA (4) En donde: Pt = presión total P* = presión parcial P° = presión de vapor del componente puro y* = fracción mol del vapor en el equilibrio x = fracción mol del líquido en el equilibrio
Destilación binaria por el método deDestilación binaria por el método de Ponchon y SavaritPonchon y Savarit Antonio Valiente BarderasAntonio Valiente Barderas Propiedades criticas Propiedades criticas TcTc °k°k PcPc atmatm EtanolEtanol 516516 6363 AguaAgua 647.3647.3 218.4218. Capacidades caloríficas Capacidades caloríficas CpCpEE deldel etanoletanol == 0.750.75 Kcal/Kcal/ KgKg °C°C CpCp deldel aguaagua == 11 Kcal/Kcal/ KgKg °C°C
PP °°EE xxEE γγEE 1.3 ECUACIONES DE ANTOINE1.3 ECUACIONES DE ANTOINE Log P°Log P°EE = 8.04494 -= 8.04494 -
++ LogLog PP°° (^) HH 22 OO = 7.96681 -= 7.96681 -
++ 1.4 COEFICIENTES DE ACTIVIDAD1.4 COEFICIENTES DE ACTIVIDAD EnEn elel puntopunto azeotrópicoazeotrópico comocomo xxEE = y= yEE
Destilación binaria por el método deDestilación binaria por el método de Ponchon y SavaritPonchon y Savarit Antonio Valiente BarderasAntonio Valiente Barderas
°° γγ (^) HH 22 OO ==
°°
EE EE HH 22 OO HH 22 OO γγ γγ ++ BB == (^) OO HH 22 loglog γγ
HH 22 OO HH 22 OO EE EE γγ γγ ++
HH 22 OO EE ++ BB AA AA loglog γγ (^) HH 22 OO == (^22) ++ AA BB BB EE HH 22 OO
HHLL == xxEE [Cp[CpEE(T-T(T-TOO)] + (1-x)] + (1-xEE) [Cp) [Cp (^) HHOO 22
22
22
−− ×× Ec.Ec. DeDe GiacaloneGiacalone EnEn donde:donde: TcTc == temperaturatemperatura críticacrítica Pc = presión críticaPc = presión crítica TeTe == TemperaturaTemperatura dede ebulliciónebullición
Antonio Valiente Barderas log 760 = A - C +T E B = 8.04494 -
Donde TE = 78.51908° C. log 760 = A^ - C +TH 2 O B = 7.96681 -
Donde (^) HO 2
Para una composición, como por ejemplo: xE = 0.2 (^) HO 2
H 2 O E
B A A 1
log γ^ H 2 O= (^2)
A B B E H 2 O
2
γ (^) H 2 O= 1. Con los resultados anteriores, se deberán cumplir las condiciones de la ecuación (6 ) de equilibrio: Pt = (^) O E E E H 2 O H 2 O H 2 P° x γ + P° x γ 760 = P°E (0.2) (2.2084321) + P° (^) O H 2
Se deberán encontrar los valores de P° que satisfagan la ecuación anterior, suponiendo valores de temperatura, ya que la P° esta en función de la misma. Suponiendo T = 80° C log P°E = A - C +T B = 8.04494 -
P°E = 811.53 mm de Hg.
Antonio Valiente Barderas log P° (^) O H 2
C +T B = 7.96681 -
P° (^) O H 2 = 355.25 mm de Hg. Sustituyendo estas P° en la ecuación (6) de equilibrio, tenemos: Pt = (811.53)(0.2)(2.2084321) + (355.25)(0.8)(1.0845323) = 666.67mm de Hg. ≠ 760 mm de Hg. Suponiendo T = 83° C. P°E = 911.4 mm de Hg. P° (^) O H 2 = 400.67 mm de Hg. Pt = 402.55 + 347.63 = 750.18 ≠ 760mm de Hg. Suponiendo T = 83.32° C. P°E = 921.93 mm de Hg. P° (^) O H 2 = 405.47 mm de Hg. Pt = 407.2039 + 351.7926 = 758.9965 ≠ 760mm de Hg. Suponiendo T = 83.32° C. P°E = 922.63 mm de Hg. P° (^) O H 2 = 408.5 mm de Hg. Pt = 407.51 + 352.09 = 758.9965 ≅ 760mm de Hg. Por lo tanto, sí TE = 83.32° C. entonces P°E = 922.63 mm de Hg. y y*E =
y*E = 0. 2.4 ENTALPIAS si TO = 0° C. HL = xE [CpE(T-TO)] + (1-xE) [Cp (^) O H 2
− ×
Antonio Valiente Barderas G,n 1 L, n n L,D D G,n^1
− − =
Esta igualdad proporciona el valor de
interno. Par la relación de reflujo en la parte superior de la torre, la ecuación (45) se transforma en la siguiente expresión para dicha parte superior de la torre: RD = G,1 L,D L,D D G, 1
− − =
= G,1 L, D D G, 1
− − (46) donde, HG,1 = HG,D = entalpía del vapor en el plano superior de la figura 19.
la distancia H’ - HG,1 dividida entre la distancia HG,1 - HL,D sea igual a RD.
QD ) y xD.
colocarse más arriba.
encuentra localizado en el infinito y las líneas de operación se hacen verticales. En este caso el número de etapas es el mínimo. Ver figura 33. En reflujo total D = 0 QD =
Antonio Valiente Barderas Figura 33 Reflujo total El reflujo mínimo se presenta junto con un número infinito de etapas y con un mínimo de requerimientos de calor y de agua de enfriamiento. El reflujo mínimo en el método de Ponchon - Savarit se obtiene cuando las líneas de operación y de equilibrio coinciden. En el diagrama de equilibrio esto se logra haciendo pasar a través de la alimentación una línea paralela a la línea de equilibrio, más próxima. Véase figura 34.
paralelamente a la línea de equilibrio más cercana al punto A.
