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CAPÍTULO I RESULTADOS Y DISCUSIONES En este capítulo de presentaran los resultados obtenidos en la experiencia práctica y las discusiones pertinentes en base a los análisis previamente realizados y esperados. Así también, los basamentos teóricos del funcionamiento de la torre de rectificación en estudio. Objetivo 1: Precisar el funcionamiento básico de una columna de destilación por carga con relleno. En las operaciones unitarias de separación de mezclas binarias o multicomponentes, la destilación se muestra como uno de los métodos más utilizados. Esencialmente, los procesos de separación alcanzan sus objetivos mediante la creación de dos o más zonas que coexisten y que tiene sus diferencias de temperatura, presión, composición y fase. Cada especie molecular de la mezcla que se vaya a separar reaccionará de modo único ante los diversos ambientes en esas zonas. En consecuencia, conforme el sistema se desplaza hacia el equilibrio, cada especie establecerá una concentración diferente en cada zona y esto da como resultado una separación entre las especies. (Perry, 1992) El proceso de destilación utiliza las fases de vapor y líquido y el principio fundamental de las diferencias en las presiones de vapor (o puntos de ebullición) de los componentes de la mezcla; teniendo la ventaja de no utilizar un componente terciario como solvente. Así también utiliza varios dispositivos para sus objetivos de los cuales depende el tipo de destilación, su funcionamiento y finalidad. La destilación instantánea o flash consiste en la vaporización de una fracción definida de líquido, en una manera tal que el vapor que se forma esta en equilibrio con el líquido residual separando el vapor del líquido por medio de un separador y condensando el vapor obteniéndose el componente más volátil en mayor por porción; este tipo de destilación se usa de manera extensa en la refinación del petróleo y los puntos de ebullición de los

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componentes deben ser bien diferentes, se habla de una diferencia mayor a 25°C entre cada uno. (McCabe, 2007) Cuando los puntos de ebullición no son lo suficientemente diferentes, la destilación flash no es eficaz en la separación y se necesitan equipos más complejos para obtener resultados buenos en el proceso como la destilación con reflujo. Generalmente, el equipos más utilizados para el contacto múltiple del líquido y del gas en las operaciones unitarias comprenden columnas o torres con placas perforadas o rellenos que permite incrementar la transferencia de masa y se define el proceso por las etapas que es la unidad del equipo en la cual las diferentes fases se ponen en contacto para difundirse los componentes redistribuyéndose en la fases. Puesto que existe un reflujo, la columna completa es una sección de enriquecimiento o rectificación donde el vapor es enriquecido en el componente más volátil a medida que asciende por la columna y el líquido disminuye en componente más volátil a medida que desciende por la torre. (McCabe, 2007) Existen variaciones en los modelos de torres de rectificación, según los equipos utilizados se varia la composición del reflujo en la torre si el condensador de la zona de rectificación es total o parcial; se puede añadir una zona más incrementando el rendimiento de la separación y obtención una destilado de mayor pureza agregando un rehervidor en la zona del líquido residual llamada zona de agotamiento; y según las exigencias y necesidades del proceso en la torre puede existir flujos de alimentación continuos, uno o más distribuidos por todo el largo de la torre llamados sistemas de múltiple alimentación. También, la alimentación puede ser por lote o carga o batch, que se basa en un volumen de alimentación definido que se opera y destila; y finalizado el proceso se utiliza otra carga. En la destilación por carga o discontinua, que es el caso puntual en estudio, la mezcla se carga en un destilador o hervidor conectado a un reóstato que permite alcanzar las temperaturas de burbuja de la mezcla y se vaporiza entonces una parte de la carga. La destilación discontinua puede ser sencilla donde los vapores pasan directamente del

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destilador a un condensador donde se recoge el destilado pero no conduce a una buena separación salvo que la volatilidad relativa sea muy grande. (McCabe, 2007) En la destilación discontinua con reflujo se emplea una columna de rectificación para mejorar la eficiencia del destilador discontinuo y dicha operación se analiza utilizando el diagrama de McCabe-Thiele con una ecuación de línea de operación definida. El sistema de destilación por carga con columna se puede operar para mantener constante la composición del destilado, aumentando la relación de reflujo a medida que varía la composición de líquido en el intercambiador de calor. El diagrama de McCabeThiele para ese caso tendría líneas de operación de diferente pendiente situadas de tal forma que se requiera el mismo número de etapas ideales para pasar de xD a xB en todo momento. (McCabe, 2007) En la siguiente figura se esquematiza de manera general una torre de destilación por lotes con rectificación.

Figura 1.1. Esquematización del funcionamiento de una torre de rectificación en una destilación por caga. Un método alternativo, para la operación de sistemas de destilación discontinuo con columna, que fue el método utilizado en la experiencia práctica, es el de fijar la relación 3

de reflujo y dejar variar la composición de destilado xD deteniendo la destilación cuando la cantidad de producto o la concentración promedio en el producto total alcanza un valor determinado. En el caso de la práctica, se medía el índice de refracción que permitía la determinación de la composición del destilado y se paró la destilación cuando este tomó un valor constante destacando también que estaba limitado por la composición azeotrópica de la mezcla binaria trabajo. (McCabe, 2007) En este sentido, el funcionamiento de la torre de rectificación del laboratorio se define por lo antes descrito; la mezcla isopropanol-agua se inyectó en el calderín a una composición dada alcanzando su temperatura burbuja; los vapores van ascendiendo por la columna rellenada hasta llegar al tope donde está un intercambiador de calor que usa agua a una temperatura de 25°C como agente refrigerante (condensador total), donde una vez definido el reflujo trabajo parte del líquido condensado retorna a la torre para continuar la transferencia entre el líquido y el vapor (etapa de enriquecimiento) y la otra parte pasa por un enfriador para ser recolectado como destilado más puro rico en isopropanol. Objetivo 2: Preparar 500mL de una solución de isopropanol-agua a una composición dada teniendo en cuenta la no aditividad de los volúmenes. Para la realización de la práctica fue necesario preparar la solución de alimentación a la torre, la cual estaba formada por isopropanol y agua; inicialmente se determinó el índice de refracción del alcohol isopropilico madre para obtener su composición por la curva de calibración (figura 3.2), siendo la misma igual a 0,24. Posteriormente, dada la composición en que se iba a trabajar la mezcla por el profesor a cargo igual a 0,19; se procedió a llevar a cabo una dilución del alcohol con agua tomando en cuenta la no aditividad de los volúmenes. Para la determinación de los volúmenes de cada uno de los componentes antes mencionados y obtención de la solución deseada, se realizó una hoja de cálculo (anexada en el CD) basada en balances por componentes del volumen de control

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especificado en la figura 1.1; resultando que los volúmenes necesarios de alcohol madre y agua fueron 447,783mL y 67,611mL respectivamente.

Dilución

Isopropanol madre 1

Solución 3 500mL 0,19

deseada

Agua 2

Figura 1.2 Diagrama del volumen de control estudiado para la preparación de la mezcla de alimentación a la torre. Si se realiza una sumatoria entre dichos volúmenes a utilizar, ésta es mayor a 500mL de solución; esto se debe a la no aditividad de los volúmenes, justificándose en que las fuerzas intermoleculares entre ambos componentes son considerables ya que ambos poseen moléculas polares y presentan fuerzas de atracción por puentes de hidrógeno lo cual hace que las moléculas de alcohol se solapen muy fuertemente con las de agua y disminuya el volumen que ocupan las moléculas por separado haciendo que se necesite un poco más de volumen de cada uno de los componentes para una mezcla de ambos con un volumen específico. Cabe destacar, que estas fuerzas intermoleculares son las causantes de la gran solubilidad de isopropanol en el agua. Una manera de verificación de que la mezcla se preparó de forma correcta es que luego de la dilución y agitación de la misma, el volumen total sea 500mL físicamente es decir; llegando al aforo del balón volumétrico respetivo para la mezcla; a pesar de que se sabe que de forma aditiva el volumen es mayor. En la siguiente tabla se muestran los datos recolectados para la preparación de la mezcla:

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tabla 1.1 Variables necesarias para la preparación de la mezcla binaria isopropanolagua para ser alimentada en la torre de rectificación

Variable

Solución isopropanol madre

de

Índice de refracción (n ± 0,001) adim.

1,368

1,333

1,365

Composición soluto (X± 0,01) adim.

0,24

0

0,19

Volumen adicionado (V ±𝟎, 𝟑𝟑)mL

447,783

67,611

500

Densidad (ρi ±0,005) g/mL

0,860

0,960

0,900

Agua

Mezcla de isopropanolagua

de

Presión ambiente: (733,72 ± 0,05) mmHg

Temperatura ambiente: (30 ± 0,5) ºC

Objetivo 3: Construir la curva de equilibrio del sistema isopropanol-agua a la presión ambiente. Para desarrollar dicho objetivo, es vital reconocer

su importancia y es que debe

conocerse cómo se comporta el equilibrio liquido-vapor de la mezcla para trabajar en base a dicha curva ya que es el equilibrio en el cual se basa la destilación como tal. (Perry, 1992) Analíticamente, se obtuvo la curva de equilibrio (figura 1.3) por medio de métodos iterativos en la búsqueda de la temperatura de ebullición de la mezcla para diferentes composiciones de soluto en la fase líquida; de tal forma que al obtener las fracciones en la fase vapor de los componentes, la suma de estas resultara igual a 1. Este procedimiento es conocido en termodinámica como “cálculo de la temperatura de burbuja” y se basa en fijar una fracción de líquido x y por medio de rutas de cálculo

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obtener la fracción de vapor y garantizando que las sumas de las yi sea 1. (Smith, Van Ness y Abbott, 1997) Respecto a la ruta de cálculo utilizada; primeramente se calculaban los volúmenes de los componentes como líquidos saturados por medio de la ecuación de Rackett (especificada en los cálculos típicos del apéndice A). Esta ecuación hace uso de parámetros específicos de cada componente como volumen crítico, temperatura crítica y factor de compresibilidad crítico. Posteriormente, se procedió a calcular los coeficientes de actividad de la fase liquida por medio de modelos matemáticos destinados para tal fin; existen varios como Margules, Van Laar, Renon y Wilson. El utilizado fue Wilson ya que se ajusta a sistemas no ideales y completamente miscibles como es el caso de la mezcla en estudio. (Smith, Van Ness y Abbott, 1997) Obtenidos los coeficientes de actividad, se procede a utilizar las ecuaciones generales que predicen los equilibrios de líquido-vapor entre las cuales existen algunas variantes. Considerando que la fase liquida no se comporta de forma ideal, es necesario utilizar la ley de Rault modificada que toma en cuenta la fase liquida real y fase de vapor ideal despreciando los coeficientes de fugacidad de la fase de vapor para presiones menores a 3 bar como es el caso en estudio. (Smith, Van Ness y Abbott, 1997) Esta ecuación permite la obtención de las fracciones de los componentes en la fase vapor por medio de los coeficientes de actividad y las presiones de saturación (obtenidas por la ecuación de Antoine) y la presión de trabajo que en este caso fue la presión ambiente. Comprobado que la sumatoria de las fracciones en la fase de vapor y i sea 1, se dice que esa temperatura de ebullición asumida si es correcta para el equilibrio. Se obtuvieron las siguientes curvas; en la figura 1.3 se representa el equilibrio líquidovapor de la mezcla y en la figura 1.4 de manera adicional se muestra el diagrama de la temperatura de ebullición en función de las fracciones de ambas fases para ilustrar que el sistema de la mezcla con que se está trabajando forma un azeótropo, por lo tanto la destilación se va a ver limitada por esa composición azeotrópica donde las fracciones

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de líquido y vapor son iguales y la volatilidad relativa se hace 1 y es difícil la separación de los componentes. (Smith, Van Ness y Abbott, 1997)

1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Ex 1:0,02

Presión ambiente: (733,72 ± 0,05) mmHg

Temperatura ambiente: (30 ± 0,5) ºC

Figura 1.3. Curva del equilibrio líquido-vapor de la mezcla isopropanol agua a presión ambiente En la bibliografía, el valor de la composición azeotrópica respecto a la composición de isopropanol es 0,685 a 1 atmósfera de presión. (Perry, 2001). Dicho punto, es muy cercano al valor obtenido en las figuras 1.3 y 1.4, donde se ubicó entre los valores de 0,69 y 0,70; dicha pequeña diferencia se debe a los cambios de presión.

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374 372

Temperatura de Ebullición (K)

370 368 366 364 362

X,T

360

y, T

358 356

354 352 350 0

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Composicion de la fase líquida x y fase vapor y

Presión ambiente: (733,72 ± 0,05) mmHg

1

1,1

Temperatura ambiente: (30 ± 0,5) ºC

Figura 1.4 Diagrama de temperatura de ebullición de la mezcla isopropanol-agua (Txy) a presión constante. Representación de azeótropo de punto de ebullición mínimo. Objetivo 4. Determinar el número de etapas teóricas a reflujo total y a reflujo de dado. Tabla 1.2 número de etapas teóricas a reflujo total y a reflujo dado para el sistema isopropanol-agua Reflujo parcial

Reflujo total 1

1

Presión ambiente: (733,72 ± 0,05) mmHg Temperatura ambiente: (30,0 ± 0,5) °C 9

La determinación del número de etapas teóricas de la torre de rectificación operando a reflujo total y a reflujo dado se realizó con ayuda de la curva de equilibrio del sistema de Isopropanol - Agua con el método de Mc Cabe Thiele. Cabe señalar que en él se suponen procesos a reflujo interno y entalpías de vaporización constante en toda la torre, así como pérdidas pequeñas de calor sensible, además de suponer temperaturas constantes en la torre. Para la determinación de este número de etapas fue necesario además considerar ciertos errores arrojados por el refractómetro debido a que este tenía una fuga del agua de enfriamiento que afectaba la muestra dando un índice de refracción errado, sin embargo luego de un análisis de los datos obtenidos se llegó a la conclusión de que los valores más lógicos para unos buenos cálculos son XD: 0,43 y XW: 0,11. Un valor de XW: 0,11 no era el deseado debido a que el objetivo de la practica era obtener un valor muy cercano a cero, es decir, un índice de refracción en el calderin muy próximo a 0,1333 sin embargo por motivos de falta de tiempo, impedimento de buena medida en el refractómetro y una alimentación con una composición tan baja luego de cuatro horas de proceso se logro obtener un índice de refracción final en el calderin de 0,1570 siendo este el de una composición de XW: 0,11. Un numero de etapas teóricas de 1 es lógico debido a que la destilación fue muy poca, diciendo esto que solo es necesario un calderin parcial y un condensador total en la torre de rectificación para lograr dicha destilación.

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1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Composicion del liquido de isopropanol Temperatura ambiente: 30 ° C Ey 1:0,02 Presion ambiente: 733,72 mmHg

Figura 1.5. Diagrama de equilibrio a la condición de reflujo total. 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Composicion del liquido de isopropanol (Adim) Temperatura ambiente: 30 ° C Ex 1:0,02 Presion ambiente: 733,72 mmHg

Figura 1.6. Diagrama de equilibrio a reflujo dado.

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Objetivo 5. Determinar el número de unidades de transferencia de masa en la columna de relleno del equipo de rectificación, (comparar con el número de platos). Concepto de unidad de transferencia puesto que las composiciones de vapor y el líquido camban diferencialmente en una columna empacada, luego de hacerlo por etapas, como en una columna de platos la dificultad de la separación que se debe realizar se da en unidades de transferencia más que en platos teóricos. EL número de unidades de transferencia en base a la concentración de fuerza impulsora de fase-gas Nog se puede obtener mediante la integración grafica de la siguiente ecuación (Perry,1992). Yp

Nog ∫

Yo

dY Yo -Yp

El procedimiento implica trazar valores de [1/(Yo-Y)] en función de valores supuestos de Y, escogidos a intervalos razonables entre Yo y Yp , la concentración inferior y la superior en la columna, en las que se desea conocer Nog. Cada valor de Y o es la composición de vapor en equilibrio que corresponde al mismo valor de X como cada uno de los valores escogidos de Y. (Perry,1992).

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1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

E 1:0,1

Presion ambiente: (733,72 ± 0,05)mmHg Temperatura ambiente: (30,0±0,5)ºC

Figura 1.7. Diagrama de equilibrio en diversas composición para la obtención del NUT. Por lo antes mencionado se deben elegir valores al azar durante el recorrido de las composiciones incluyendo los valores extremos de la destilación.

Tabla 1.3. Variables necesarias para el cálculo del nut. Área X

Y

h = Y1-Y2

Y*

Y-Y*

b,B

=

=1/(Y- [h*(b+B)/2]

Y*) 0,11

0,301

-0,02

0,470

-0,169

-5,917

0,1183

0,16

0,321

-0,029

0,490

-0,169

-5,917

0,1721

0,22

0,35

-0,025

0,518

-0,168

-5,952

0,1510

0,28

0,375

-0,02

0,538

-0,163

-6,134

0,1238

0,34

0,395

-0,035

0,555

-0,16

-6,25

0,2252

0,43

0,43

0,43

0,581

-1,51

-6,622

NUT = ∑ Ai

0,7906

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Basados en la tabla de valores calculados, la sumatoria de las área (i) da como total el número de unidades de transferencia (NUT) para llevar a cabo la destilación entre las composiciones obtenidas para el sistema estudiado, obteniéndose un valor de; (NUT = 0,7906). Da como resultado que necesita menos de una unidad de transferencia, lo que es equivalente a que la destilación por platos sería menos de un plato necesario para la destilación en este delta de concentraciones. Comprobándose este resultado con los valores obtenidos en el objetivo 4, para el sistema estudiado.

Objetivo 6. Determinar la altura equivalente de un plato teórico en la columna de relleno del equipo de rectificación (mediante sumatoria de HETP, calculando pendiente de cada plato). Tabla 1.4 variables obtenidas para determinar la altura equivalente de un plato por la sumatoria de hetp. Altura de la HUT Torre (adim) (cm) 78

98,6517

X1

Y1

X2

Y2

m

HETP

0,03

0,4

0,21

0,6

1,1111

143,999

HETP TOTAL Presión ambiente: (733,72 ± 0,05) mmHg

143,999

Temperatura ambiente: (30,0 ± 0,5) °C

La HETP de una sección de torre empacada , válida para destilación o los sistemas de separación y absorción de gas diluido en los que se puede suponer un sobre flujo molal constante y la ausencia de reacciones químicas , está relacionada con la altura de una unidad total de transferencia de masa en la fase gaseosa. Para el cálculo de este valor se determina previamente la altura de unidad de transferencia (HUT) tomando en cuenta el resultado del objetivo anterior y conociendo la altura del relleno de la torre. También se determina la pendiente de las curva de equilibrio en cada sección donde se encuentran ubicadas las etapas teóricas antes determinadas.

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En dado caso el valor de la altura equivalente de un plato teórico es bastante alto pero concordante debido a la en el rango de composiciones entre alimentada y lograda en la destilación es tan bajo que no se necesitan platos teóricos, debido a que el numero de etapas teóricas es 1, es decir, la altura equivalente del plato teórico resulta ser aproximadamente la altura de la torre debido a que no posee platos teóricos y solo es necesario el condensador total y un calderin parcial. Objetivo 7. Calcular el porcentaje por encima de mínimo para la relación de reflujo de operación. S la relación de reflujo se disminuye todavía más, la línea de operación de la sección de rectificación intersectara la curva de equilibrio a un valor de X más alto para el componente más volátil de la composición de alimentación, esto quiere decir que aun con un numero infinitos de platos la composición del destilado no puede fraccionarse de la composición de la alimentación. (Robert N.Maddox, 1984) Cuando una columna de rectificación trabaja a reflujo mínimo una recta operativa corta a la curva de equilibrio en algún sector de la columna. Esto supone que las corrientes que se cruzan en dicho punto se encuentran en equilibrio. Por tanto, ha desaparecido la fuerza impulsora, no hay transferencia de materia, y por más etapas que se añadan, no se produce cambio en la composición. Es decir, la composición de ese punto no se puede rebasar, y se necesitan infinitos pisos para conseguir la separación deseada. (Perry, 1992)

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1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Curva de equiibrio…

0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

E 1:0,1 Presion ambiente: (733,72 ± 0,05)mmHg Temperatura ambiente: (30,0±0,5)ºC Figura 1.8 Diagrama de equilibrio basado en reflujos mínimo y de operación en las concentraciones de estudio. Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, debido a que cuando es mayor que la mínima disminuye el número de etapas requeridas, por tanto, el costo de la columna, pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador. La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en un intervalo dado por 1.3< R/Rmin