INGENIERO QUÍMICO   Universidad de Valladolid          

  INFORME DE PRÁCTICAS     ASIGNATURA: EXPERIMENTACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA II   CURSO: 2011/2012       

   PRÁCTICA: 1. DESTILACIÓN DIFERENCIAL             GRUPO: A  PAREJA: 1      TIEMPO EMPLEADO   ALUMNO                                                                EN EL INFORME            

  Ana María de la Torre Sánchez  6 h 

  María Llorente Moreno  6 h 

 

                      FECHA: 30/09/2011 

1  

Índice

 1.  Objetivos ......................................................................................................................................... 2 

2.  Fundamento teórico ....................................................................................................................... 2 

3.  Diagrama de flujo ............................................................................................................................ 3 

4.  Procedimiento experimental y datos experimentales recogidos ................................................... 4 

5.  Resultados: Cálculos y análisis de los mismos ................................................................................ 6 

6.  Seguridad ........................................................................................................................................ 9 

7.  Conclusiones ................................................................................................................................. 10 

8.  Comentarios a la práctica ............................................................................................................. 10 

9.  Nomenclatura ............................................................................................................................... 11 

10.   Bibliografía .................................................................................................................................... 11 

11.   Anexos ........................................................................................................................................... 12 

 

   

2  

1. Objetivos

Los objetivos de esta práctica de destilación discontinua son:

Comprobar experimentalmente la validez de la ecuación de Lord Rayleigh.

Seleccionar razonadamente otros dos métodos alternativos para medir la composición de la mezcla.

Calcular el error asociado al valor medido de las concentraciones.

2. Fundamento teórico

2.1. Ecuación de Lord Rayleigh

La ecuación de Lord Rayleigh se puede deducir suponiendo una mezcla de dos componentes solubles. Sea W la cantidad en kilogramos de dicha mezcla. Será x la fracción en masa del componente más volátil del líquido e y la fracción en masa del mismo componente en el vapor en equilibrio con el líquido original. Sean dW los kilogramos que hay que vaporizar; el líquido perderá una cantidad diferencial del componente más volátil y el vapor la ganará. Haciendo un balance de materia:

(1)

Despreciando los diferenciales de segundo orden y simplificando,

(2)

Integrando la ecuación (2) entre límites,

(3)

Los subíndices “0” indican que las propiedades se toman al comienzo de la operación de destilación.

La ecuación (3) es propiamente la ecuación de Lord Rayleigh y su resolución se realizará en función del equilibrio que se desee estudiar. En definitiva, la ecuación (3) dispone una relación entre la cantidad de mezcla que queda en el calderín de destilación y la composición del componente más volátil en el líquido.

3  

2.2. Selección de dos métodos alternativos para la medida de la composición de la mezcla.

Las dos posibilidades más empleadas en el cálculo de concentraciones de una mezcla etanol-agua, a parte de la medida de densidades son:

Método del alcoholímetro: el alcoholímetro es un instrumento de medida empleado para medir el grado del alcohol en una mezcla, por lo que se podrá emplear este método para la mezcla de la práctica.

Método del índice de refracción: mediante este procedimiento, se mide el índice de refracción de la mezcla y se representa una curva de calibración molar o másica frente al índice medido a temperatura ambiente.

3. Diagrama de flujo

 

Ilustración 1. Diagrama de flujo 

 

En el diagrama se muestra el esquema de la instalación de la destilación diferencial realizada en el laboratorio. La descripción del equipo es la siguiente:

4  

E-1: Manta calefactora y matraz de tres bocas, donde se encuentra la mezcla inicial a destilar.

E-2: Sistema de refrigeración por serpentín empleando agua como fluido refrigerante.

K-1: Columna de destilación.

V-1: Válvula de salida del destilado.

Lo que ocurre en el sistema es que a una vez alcanzada la temperatura de ebullición de la mezcla, comienza a evaporarse el etanol, quedando cada vez una fracción másica menor de éste componente en la fase líquida de destilación. A medida que transcurre la operación de destilación, se van alcanzando diferentes equilibrios líquido-vapor en el matraz de destilación. El serpentín de refrigeración, E-2, provoca la condensación del vapor que se forma, recogiéndose el destilado en un erlenmeyer. El objetivo de esta destilación no es separar el etanol del agua de la mezcla, de modo que el vapor que no condensa, en lugar de extraerse, se lleva a la salida de condensado para recogerlo también en el erlenmeyer.

4. Procedimiento experimental y datos experimentales recogidos

En el caso que en estos momentos compete, se va a realizar la destilación discontinua de una mezcla de etanol y agua con el fin de comprobar la validez experimental de la ecuación de Lord Rayleigh (ecuación 3). Para ello deberán tomarse valores experimentales de la cantidad de mezcla en el calderín de destilación y calcular la fracción másica de etanol en el líquido, tanto al comienzo como al final de la operación. El cálculo de dicha fracción se realizará a partir de la medida experimental de la densidad. Se va a seguir el siguiente protocolo experimental:

Pesar un picnómetro limpio y seco.

Llenar el picnómetro de agua destilada y pesarlo.

Vaciar el picnómetro, llenarlo ahora de etanol y volver a pesarlo.

Comprobación de que el sistema está desconectado para poder revisarlo y poder detectar posibles fugas.

Pesar el matraz de destilación de 1 litro limpio y seco.

Empleando un matraz aforado de 500 ml medir un volumen de etanol del 96%.

Añadir el etanol al matraz de destilación y pesarlo.

Medir un volumen de 300 ml de agua destilada en un matraz aforado de 500 ml.

Añadir el agua al matraz de destilación y pesarlo con la mezcla completa.

Pesar el erlenmeyer en el que se va a recoger el destilado limpio y seco.

Medir la presión atmosférica y la temperatura del laboratorio en el momento de realizar la destilación.

Acoplar adecuadamente el matraz de destilación al sistema.

Comprobar que el agua de refrigeración del sistema está abierto.

5  

Conectar la manta calefactora a una potencia del 40% y dejar que la temperatura de la mezcla vaya aumentando.

Al alcanzar la ebullición, disminuir la potencia de la manta calefactora al 30% para que la ebullición tenga lugar de forma suave.

Dejar evolucionar el sistema hasta que se hayan recogido unos 100 ml de la mezcla.

Desconectar la manta calefactora.

Desacoplar el matraz de destilación del sistema y taponar su boca para evitar pérdidas de vapor.

Esperar a que, tanto el matraz de destilación como el erlenmeyer, se hayan enfriado.

Pesar el matraz de destilación.

Llenar el picnómetro con la mezcla final del matraz de destilación y pesarlo.

Pesar el erlenmeyer que contiene el destilado recogido.

Llenar el picnómetro con el destilado recogido en el erlenmeyer y pesarlo.

Limpiar el material empleado en la experimentación y dejar recogida la zona de trabajo.

En la tabla 1 se muestran las medidas de peso realizadas:

Tabla 1. Datos experimentales 

Masa (g)  Error de escala (g) 

Picnómetro vacío  16,162  0,001 

Picnómetro con agua destilada  23,933  0,001 

Picnómetro con etanol  22,420  0,001 

Matraz vacío  511,6  0,1 

Matraz con etanol  669,5  0,1 

Matraz con mezcla completa  953,2  0,1 

Erlenmeyer vacío  50,4  0,1 

Erlenmeyer con el destilado  140,9  0,1 

Matraz con la mezcla final  860,5  0,1 

Picnómetro con mezcla final  23,626  0,001 

Picnómetro con destilado  22,712  0,001 

6  

La presión y la temperatura del laboratorio en el momento en que se realizó la experimentación son:

T = 25 ± 0.1 ºC

P = 709,20 ± 0.01 mmHg

5. Resultados: Cálculos y análisis de los mismos

El primer cálculo es el de la masa de cada sustancia empleada en la experimentación. Todas se calculan restando a la masa de la sustancia con el recipiente, la masa del recipiente. La tabla 2 muestra estos valores:

Tabla 2. Masas calculadas 

Error de escala (g) metanol (g) 157,9 ±0,1 magua (g) 283,7 ±0,1

mmezcla inicial (g) 441,6 ±0,1 mmezcla final (g) 348,9 ±0,1 mdestilado (g) 90,5 ±0,1

A continuación se presentan los cálculos realizados para obtener los valores de fracción molar de etanol en el matraz de destilación así como las cantidades de mezcla de destilación para finalmente comprobar la validez de la ecuación de Lord Rayleigh.

En primer lugar se calcula el volumen del picnómetro para, posteriormente, calcular la densidad de las distintas sustancias con que se trabaja en esta práctica. Para ello se emplea la ecuación (4).

)º25(.

C

mmV

agua

vacíopicnaguapicnpicnómetro

         (4) 

La densidad del agua a 25ºC es de 996,95 g/l

El volumen del picnómetro obtenido es de 0,008 l

Empleándose este volumen la ecuación (5) se calcula la densidad del etanol.

picnómetro

vacíopicnolepicnole V

mm .tantan

         (5) 

La densidad del etanol obtenida es: 802,85 g/l.

7  

Empleando las ecuaciones (6) y (7) se calculan de la misma forma las densidades de mezcla final en el matraz de destilación y del destilado recogido, respectivamente.

picnómetro

vacíopicnmezclapicnlmezclafina V

mm .          (6) 

picnómetro

vacíopicndestiladopicndestilado V

mm .           (7) 

Los resultados obtenidos son los siguientes:

ρmezcla final = 957,56 g/l

ρdestilado = 840,31 g/l

A continuación, se va a proceder a integrar la ecuación (3) para el equilibrio líquido-vapor de la mezcla de etanol-agua. Para ello se necesita conocer la ecuación de la curva de equilibrio correspondiente. Se han tomado los datos que aparecen en el anexo 1 para calcular la curva de la gráfica 1. Estos datos están tabulados a una presión de 760 mmHg. La presión de trabajo es de 709,20 mmHg. Para realizar la corrección de la presión se debe emplear la ecuación (8):

(8)

Donde γ es el coeficiente de actividad, y P0 es la presión de vapor del componente más volátil de la mezcla en el equilibrio.

El cálculo con la ecuación (8) es muy laborioso, ya que hay que aplicar correlaciones para la presión de vapor (Ecuación de Antoine) y para el coeficiente de actividad. En este caso, como la presión del laboratorio y la presión atmosférica de 760 mmHg no son demasiado dispares, se puede considerar que los valores de la tabla del anexo 1 no van a cambiar demasiado. Por lo que los emplearemos asumiendo un pequeño error de cálculo.

Para poder integrar la ecuación (3), se deben definir los límites de integración. Para ello hay que calcular las fracciones en masa de etanol en la fase líquida del matraz de destilación, así como las cantidades de mezcla en el mismo, tanto al comienzo como al final de la operación. Esto se lleva a cabo de la siguiente forma:

Fracción de etanol inicial en el líquido:

,

, , (9)

Fracción final de etanol en el líquido:

(10)

8  

Cantidades en masa de mezcla de destilación en el matraz:

í (11)

í (12)

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Tabla 3. Límites de integración 

Error x0 (w/w) 0,36 ±0,0014 X (w/w) 0,20 ±0,0011 W0 (g) 441,6 ±0,1 W (g) 348,9 ±0,1

Estos valores marcan el intervalo de fracciones de etanol de trabajo en la experimentación, de modo que se debe seleccionar un rango de datos de la curva de equilibrio de la gráfica 1 con el fin de obtener la ecuación del equilibrio que se desea estudiar a través de la ecuación de Lord Rayleigh. La gráfica 1 también muestra este rango, así como su ecuación.

 

Gráfica 1. Diagrama de equilibrio etano‐agua

y = 0,4399x + 0,4394R² = 0,994

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

y

x

intervalo de trabajo

9  

Como puede verse en la gráfica 1, la ecuación del equilibrio en el intervalo de trabajo es y = 0,439x + 0,439. Sustituyendo esta ecuación en el valor de y de la ecuación (3) y simplificando, se obtiene la siguiente integral:

, , (13)

Para realizar la integración de la expresión (13) se ha empleado el método de Simpson utilizando como herramienta de cálculo Microsoft Excel. Para este procedimiento se han empleado los límites de integración de la tabla 3. Los resultados obtenidos en cada miembro de la expresión (13) son:

-0,51 -0,21

Existe entre ellos una diferencia del 29%, la cual puede deberse a los valores del diagrama de equilibrio empleados, que están a una presión diferente a la de trabajo, como se explicó anteriormente. Se considera que debería realizarse la corrección de las fracciones de etanol en el equilibrio empleando la ecuación (8).

Los valores obtenidos son negativos porque la fracción de etanol en el líquido de la mezcla de destilación va disminuyendo a medida que se desarrolla la destilación.

Se comprobado también, que la disparidad de estos resultados, no se debe a la pérdida de mezcla durante la destilación, ya que se cumple el siguiente balance de materia:

(14)

La cantidad perdida durante la operación son 2 g, lo que se considera despreciable.

Por último, se van a calcular los errores en las variables calculadas para descartar que la disparidad entre los resultados se deba a estos. La forma general de hacerlo es la siguiente:

(15)

A y B son las variables de las que dependerá cada concentración. Los resultados obtenidos según estos cálculos aparecen detallados en la tabla 3, junto con las fracciones másicas obtenidas, que son las variables que se deseaba estudiar. Como puede observarse, los errores obtenidos son bastante bajos.

6. Seguridad

Posibles riesgos:

Salpicadura de etanol en los ojos, puede causar escozor.

Quemadura con la manta calefactora.

Incendio a causa de la presencia de un fluido inflamable.

10  

Protocolo de actuación:

En caso de salpicadura con etanol en los ojos dirigirse al lavaojos y enjuagar con agua.

En caso de quemadura, avisar al profesor y aplicar sobre la quemadura la pomada adecuada.

En caso de incendio, en primer lugar, dar la voz de alarma para que quien se encuentra en el laboratorio salga de él. A continuación, tomar un extintor y tratar de apagar las llamas. Si las llamas son pequeñas emplear el extintor de CO2 que no dañará las instalaciones. En caso de que las llamas sean grandes, emplear el extintor de polvo, cuya acción es más eficaz. Si el fuego es descontrolado, salir del laboratorio por las salidas de emergencia y avisar a los servicios de emergencia. En caso de que la ropa de alguna persona arda, cubrirla con una manta ignífuga, siempre por delante para evitar quemarse uno mismo.

7. Conclusiones

La ecuación de Lord Rayleigh se cumple con un error del 29% aproximadamente.

Esto se debe a que los datos de fracción de etanol en el líquido están tomados a 760 mmHg y no a la temperatura de trabajo. Por lo tanto se concluye que es necesario realizar la corrección a estos valores empleando las correlaciones pertinentes.

Se ha comprobado que el efecto de la pérdida de materia durante la operación no afecta a los resultados finales.

El error transmitido a las fracciones másicas de etanol, es lo suficientemente pequeño como para pensar que el resultado es coherente.

8. Comentarios a la práctica

La introducción de unos trocitos de porcelana en el matraz de destilación, habría

mejorado la ebullición de la mezcla, ya que la superficie de ebullición hubiera sido mayor y por lo tanto, la cantidad de etanol evaporado habría aumentado.

Para realizar una comprobación más exacta de la ecuación de Lord Rayleigh, deberían haberse realizado varias destilaciones con mezclas de diferente composición en etanol y agua.

11  

9. Nomenclatura

metanol: masa de etanol (g)

magua: masa de agua (g)

mmezcla inicial: masa de la mezcla inicial en el matraz de destilación (g)

mmezcla final: masa de la mezcla final en el matraz de destilación (g)

mdestilado: masa del destilado recogido en el erlenmeyer (g)

mpicn: masa del picnómetro (g)

ρ: densidad (g/l)

P: Presión (mmHg).

P0: presión de vapor (mmHg)

T: Temperatura (ºC).

Vpicnónetro: volumen del picnómetro (l)

W: Masa de la mezcla de destilación (g).

W0: Masa inicial de la mezcla de destilación (g).

x: Fracción en masa de etanol el líquido de la mezcla de destilación (w/w).

x0: Fracción en masa de etanol el líquido de la mezcla inicial de destilación (w/w).

y: Fracción en masa de etanol el vapor en equilibrio con el líquido de la mezcla de destilación (w/w).

10. Bibliografía

Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química

E. J. Henley, J. D. Seader

Editorial Reverté s.a.

Edición en español, Barcelona, 1988

Separation process technology

Jimmy L. Humphrey, George E. Keller II

McGraw-Hill Book Company

Edición de 1997

12  

Manual del ingeniero químico

John H. Perry

Unión Tipográfica Editorial Hispano Americana

Reimpresión de 1966

11. Anexos

1. Valores de x e y en equilibrio

x  y 

0,00  0,00 

0,02  0,17 

0,07  0,39 

0,10  0,44 

0,12  0,47 

0,17  0,51 

0,23  0,54 

0,26  0,56 

0,33  0,58 

0,40  0,61 

0,51  0,66 

0,52  0,66 

0,57  0,68 

0,68  0,74 

0,75  0,78 

0,89  0,89 

Los valores remarcados equivalen al intervalo de trabajo empleado. [Perry,1966]