LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN, REACCIÓN Y CONTROLINFORME DESTILACIÓN BATCH Santiago Higuera Pedraza 25492298 Andres Felipe Cruz Vasquez Jorge Enrique Pulido Pinilla 02245511 25492456 Ricardo Felipe Cortés Cruz 25492261 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN Y JUSTIFICACIÓN En Colombia la ley 693 de septiembre de 2001 reglamentó el uso de alcohol en un 10% mezclado con las gasolinas. Con motivo de la entrada en vigencia de esta ley a partir del año 2005, en varios ingenios azucareros ha despertado interés el negocio de la producción de alcohol. El ingenio XXXXX S.A. quiere incursionar en el negocio del alcohol. Inicialmente, pretende surtir la demanda de alcohol de una población aledaña con una demanda estimada de 4000 litros por mes de alcohol anhidro. Para ello ha desarrollado el proceso de fermentación que le permite obtener alcohol con una concentración del 9% en volumen, que posteriormente someten a una primera destilación para llevarlo hasta el 33%. Luego este se somete a una rectificación por lotes hasta el 94% y finalmente se alimenta a una unidad de separación para obtener la cantidad de alcohol anhidro demandada. Se desea determinar la factibilidad de efectuar la rectificación en la columna de destilación batch del LIQ. Les solicitó establecer el estado actual de la columna en el que se muestre de manera clara el equipo del que se dispone y los accesorios e instrumentos con los que se cuenta; determinar si es posible cumplir con los requerimientos de flujo de producción y pureza con el equipo actual y, si es así, bajo qué condiciones operación se lograría; y finalmente, elaborar una recomendación respecto a los instrumentos requeridos para operar el equipo y un estimativo de los costos asociados a dicha instrumentación. 2. OBJETIVOS Objetivo principal ● Concentrar alcohol etílico desde una composición de 33% hasta 94% utilizando la columna de destilación discontinua. Objetivos secundarios ● Realizar la curva de calibración para diferentes concentraciones de la mezcla agua etanol a partir del índice de refracción. variando la relación de reflujo durante el proceso es posible lograr una composición constante de destilado obtenido. De manera general. el proceso se realiza de forma continua. El esquema general se presenta en la figura 1. 3. el alimento se introduce una sola vez en el calderín del equipo y durante la operación se retira de forma continua el producto destilado. Sin embargo. basada en la diferencia de volatilidades de los diferentes componentes de una mezcla líquida y que se aplica fundamentalmente a aquellos sistemas en los que es posible que exista una distribución de todas las sustancias tanto en la fase líquida como en la fase de vapor [1]. resultante de todas las fracciones recogidas. con el tiempo el líquido del calderín se va empobreciendo en el componente más volátil. De acuerdo al tipo de operación de la columna. Esquema torre de destilación discontinua. el proceso de destilación se puede clasificar en: · Destilación Batch o por lotes · Destilación continua 3. ● Calcular la carga calórica en el calderín. En este tipo de destilación.1. Destilación La destilación es una operación unitaria de separación. a la vez que la riqueza del destilado en el componente más volátil también disminuye. La rectificación se continúa hasta alcanzar una composición media. Destilación Discontinua o Batch La principal diferencia entre los dos procesos se encuentra en la alimentación. En la rectificación por lotes no se alcanza el estado estacionario debido a la constante variación con el tiempo de la composición de la mezcla inicial en el rehervidor. cuyo valor estará determinado por las especificaciones del producto que se desea conseguir.1. sin embargo para operaciones a pequeña escala se emplea la rectificación discontinua o por cargas. Figura 1. .● Realizar la curva de equilibrio en la torre en condiciones estables de operación. MARCO TEÓRICO. Cuando la relación de reflujo se mantiene constante. Figura 2. ya que dicha operación depende de la forma como se distribuyen los componentes en las fases.3. Estas relaciones son representadas gráficamente en diagramas binarios o multicomponente según el caso de estudio. para las mezclas binarias también debe considerarse la concentración. la cual se expresa comúnmente en unidades de fracción mol. Equilibrio líquido vapor Para poder comprender de una mejor manera los procesos de destilación es necesario hacer uso de los equilibrios que se presentan entre la fase líquida y vapor presentes a lo largo del sistema de separación. Equilibrio líquido vapor para sistema etanol agua . es su relación entre la presión de vapor y la temperatura. Para el caso del equilibrio líquido vapor entre el etanol y el agua se tienen los siguientes esquemas obtenidos mediante la ayuda del software ASPEN®.1.2. El equilibrio líquido – vapor para cada una de las sustancias puras que componen la mezcla. con respecto al componente más volátil: · Enriquecimiento en la zona superior · Agotamiento en la zona inferior Sin embargo. además de presentarse la variación de la composición en cada etapa.3.1. el vapor que se produce en el calderín ha de estar en un instante de tiempo en equilibrio con el líquido del cual se forma. se debe llevar a cabo gráficamente con ?∗−? como ordenada contra x como abscisa y determinando el área bajo la curva entre los límites indicados. −??? = ?(??) Teniendo que en el calderín las moles de líquido que se evaporan pasan a ser parte de las moles de vapor en el mismo: dV=-dM. así.4. La integración del lado derecho de esta ecuación.1. producto de su evaporación. la sustitución y la expansión de la anterior ecuación dan: ?? = ??? + ??? Organizando términos e integrando la ecuación queda: ? ? ?? ?? ? ? = ∫? ? ?∗−? ? ? En donde el subíndice i significa condición inicial y el subíndice f significa condición final en el calderín. el proceso completo podrá ser representado por la ecuación del balance de materia del componente más volátil para cada plato: . como no existe una sección de alimento que ocasione una variación en la relación constante L/V. a menos que se cuente con una 1 relación algebraica en el equilibrio entre y* y x. tomando para ello los datos de la relación del equilibrio vapor-líquido.Figura 3. 3. la aproximación matemática debe ser diferencial. Diagrama T xy para equilibrio de fases entre etanol y agua 3. Por lo tanto. la composición del vapor varía de acuerdo con el equilibrio. Rayleigh desarrolló una ecuación con la cual es posible calcular el cambio en las composiciones del equilibrio a través del tiempo. no obstante debido a la continua disminución del componente más volátil en el calderín. se presenta una variación con el tiempo. Destilación Batch con composición de cima constante En una columna de destilación batch se identifican dos procesos a los que se somete el destilado. Balance de materia en la destilación Batch Para analizar el balance de materia que se presenta en el proceso de separación de destilación. es importante recordar la aproximación de McCabe-Thiele para el cálculo de la columna de destilación en multietapa. éste corresponde al mínimo calor calderín y la . el método supone que no existen pérdidas de calor entre la columna y el medio. En este orden de ideas. bien. de la de despojamiento. tienen los subíndices que corresponden a las etapas.Figura4. y en una línea de operación recta. lo cual resulta en una relación entre el flujo de líquido y vapor constante en cada sección de la columna. que corresponde a una línea recta de pendiente y con una igual a: R= ?? + 1 = ? ?? ?? + ?+1 ?+1 Por otra parte. para muchos sistemas. la variación del calor molar de vaporización es aproximadamente constante de manera que si se condensa un mol de vapor se proporcionará la energía para evaporar un mol de líquido. pudiéndose entonces determinar conociendo únicamente dos puntos de la misma. Además. el balance de materia para las etapas es: ?? = ? ? ?? − 1 + ?? ? ? En donde las composiciones X y Y.Sección de Agotamiento y enriquecimiento ?? + 1 = ? ? ?? + ?? ? ? Definiendo la relación de reflujo como: L D Se obtiene la ecuación de la columna de destilación en términos de la tasa de reflujo. La relación de reflujo mínimo Rm es la relación máxima que requerirá de un número infinito de platos para lograr la separación deseada. además de asumir como nulos los calores de disolución y no haber transferencia de calor sensible. pero L y V deben identificarse sólo como los flujos molares de la sección de enriquecimiento o. La pendiente de esta línea corresponde al (L/V) min. Normalmente las destilaciones se trabajan entre 1. la expresión para calcular la cantidad obtenida en el destilado es: El método gráfico para esta operación se muestra en la siguiente figura: . Bogart desarrolló la siguiente expresión para la situación en que una columna de destilación Batch se opere a composición constante de cima. Para abordar el problema en cuestión se propone operar a composición de cima constante y reflujo variable. que es sin lugar a dudas la razón de ser de la operación de separación: ?? = ?? ∗?−?? ∗? ? 3.1. Por otro lado. es posible operar a composición constante de destilado si se varía (aumenta) el reflujo durante la operación. puesto que el producto debe tener unas condiciones cercanas al etanol azeotrópico. con el fin de calcular el tiempo que dura una operación en cuestión: Así mismo. en la cual. partiendo de la composición del destilado deseada sobre la línea de 45° se traza una recta hasta la composición de la mezcla inicial. es necesario conocer el balance general de componente para determinar la composición acumulada promedio del destilado.5 y 1.5.7 veces la relación de reflujo mínimo.mínima capacidad de enfriamiento del condensador con respecto a la separación. El cálculo de la relación mínima de reflujo se hace de forma gráfica sobre la curva de equilibrio. pero en condiciones de equilibrio. Destilación Batch con composición de cima constante En una columna de destilación Batch pueden darse dos casos: Cuando se opera a reflujo constante la composición del componente más volátil en el destilado se hace cada vez menor debido a que el alimento se va a ir agotando al paso del tiempo. El reflujo mínimo se calcula entonces: ???? = ? (? ) ??? ? 1 − (? ) ??? Por último. Método gráfico para operación con concentración constante Básicamente se grafican varias líneas operatorias con diferentes pendientes pero partiendo desde la misma concentración de destilado.Figura 5.60 m de diámetro y 0. Calderín: Es un tanque cilíndrico de fondo semiesférico. El vapor vivo ingresa al calderín por medio de una tubería aislada con fibra de vidrio y forrada con un material . En la Figura 6 se muestra un esquema de dicha torre con sus partes y corrientes principales.65m de altura.Con este tipo de diagramas se realiza la evaluación del índice de refracción de muestras determinadas y luego se realiza una interpolación mediante la curva de calibración con el fin de conocer la cantidad de componente presente en la mezcla de estudio1 4. y por cada una se calcula la concentración en el calderín bajando tantas veces como platos teóricos existan. de 0.2. En su parte exterior cuenta con un tubo de nivel vertical que permite la lectura del nivel. y una boquilla que permite el ingreso de la mezcla de trabajo. de este modo es posible conocer cómo se distribuirá el producto a lo largo de la operación de separación . con una capacidad aproximada de 100 litros construido con cobre recubierto de fibra de vidrio y lona. 3. 1. DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Se cuenta con una torre de destilación disponible en el laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad Nacional Sede Bogotá que opera discontinuamente. Determinación de la composición de etanol a lo largo de la columna Para la determinación de la concentración de etanol presente en cada una de las secciones de la columna de destilación es posible hacer uso de una gráfica de índice de refracción para el etanol. Se encuentra dividida en tres secciones de 0. Cada una consta de 5 platos completando un total de 20. es un intercambiador de tubos y coraza de cobre dispuesto en contracorriente. así mismo se tiene una tubería que comunica con una trampa de vapor y posteriormente con un tubo por medio del cual se recoge el vapor condensado en un recipiente.4 cm · Número de caperuzas 3 · Diámetro del tubo de descenso 2.6cm Datos platos: · Diámetro 20cm · Altura del vertedero 4. [5] En la parte inferior se encuentra una válvula para desalojar el contenido del tanque. Igualmente. El sistema de calefacción del calderín es por medio de un serpentín interno. En la parte superior del rehervidor se encuentra un manómetro y un termómetro. Columna de rectificación o destilación: La columna que se va a utilizar es una columna de platos con caperuzas de burbujeo que se encuentra elevada del piso 1. con un paso por la coraza (agua de enfriamiento) y uno paso por los tubos (vapor). dentro del montaje.20m. 4.66m · Altura caperuzas: 3.95cm 3.Trampa de vapor: Es una trampa de vaso invertido ubicada en la línea que sale en la parte inferior del calderín y dirige el paso del vapor condensado dentro de este hacia una tubería que posteriormente termina en un recipiente de recolección colocado sobre una báscula para determinar el consumo de vapor a lo largo de la práctica.6 cm · Diámetro exterior caperuzas: 2.8m y una de 1. 2. También se encuentra un tubo que comunica el condensador con el calderín por el cual fluye vapor condensado de la torre. En cada uno de los platos hay instaladas válvulas para la toma de muestras. La válvula de entrada de agua se encuentra en la parte inferior.47cm · Separación entre platos 15. el plato de cima por su parte posee una salida para los vapores dentro de la torre y una entrada para el líquido (reflujo). se encuentran diversas válvulas manómetros y termómetros que ayudan al correcto funcionamiento del equipo. para así cuantificar su consumo durante la operación. El plato de fondo cuenta con una salida de líquido hacia el calderín y drenaje por la parte inferior.plateado.8 m y que está aislada térmicamente con lana de vidrio y lona.96cm · Nivel del líquido en el plato: 2. .Las dimensiones de la columna son: [5] · Altura: 4. Condensador: Se encuentra ubicado en la parte superior de la torre de forma vertical. en esta tubería se encuentra ubicado un manómetro y una válvula de seguridad. es necesario contar con los siguientes materiales: · Baldes · Cronómetros · Probetas de 1L · Báscula · Caneca · Envases para la recolección de muestras · Refractómetro · Alcoholímetro .Agua con una composición inicial conocida de 33% v/v. Diagrama del equipo de la destilación discontinua 5. PROCEDIMIENTO REALIZADO Reactivos Se dispone de una mezcla del sistema Etanol.Figura 6. Materiales Para hacer posible la recolección de datos que permitirán evaluar la operación de destilación. para la cual se preparan mezclas de composición conocida y se mide el índice para cada una de ellas. Procedimiento realizado para la estabilización y arranque de la columna. Operación de destilación continua para obtener alcohol al 97% . A partir de estos datos se construye la curva que permitirá determinar la concentración de las muestras tomadas durante el proceso. se generará a través de la relación Índice de refracción vs concentración de etanol. Preparación del equipo con Reflujo Total Se cargó el calderín con 45 L de la mezcla Se purgó el calderín con un vapor vivo en la chaqueta Se ajustó la presión del vapor vivo a 7 psi Se abrió el paso de agua al condensador Se ajustó la válvula de reflujo a reflujo total Se registró la T en cimas y fondos hasta que no hubiera variación Se recolectaron muestras del líquido en cada plato Se midió el índice de refracción de cada muestra Figura 7.● Generación de curva de calibración La curva de calibración. Alimento Cantidad (L) Concentración (%P/P) 40 28 .Se operó la columna a reflujo total Se esperó a que las T fueran estables Se abrió la válvula de destilado Se recolectó el destilado en un balde Se midió el grado alcohólico del destilado Se siguió recolectando el destilado hasta que hubo variación en T de cima Se recolectó el destilado de menor composición en otro balde Se detuvo el flujo de vapor en el calderín Se cerró la válvula de agua al condensador Se desocupó la mezcla sobrante en el calderín Se registró el condensado de vapor recolectado del calderín Finalizó la operación Figura 8. en nuestro caso nos centramos en la de mayor pureza que está más cercana a las condiciones exigidas en los objetivos de la práctica (tabla 1). donde se obtuvo un condensado de vapor de calentamiento de 65 kg para la operación de destilación y se recogieron 3 fracciones de destilado diferenciadas por las composiciones de cada una. Tabla 1. DATOS RECOLECTADOS Y RESULTADOS Fracciones obtenidas La destilación se realizó durante 2 horas y media aproximadamente. 6. Fracciones de destilado obtenidas para la operación de destilación diferencial. Procedimiento realizado para la destilación diferencial del lote de mezcla etanol – agua. .Fracción 1 11 97 Fracción 2 9 90 Fracción 3 5 30 Fondos 15 34 Fracción T cima (C) T fondos (C) Condensado (Kg) 1 74 90 62 Reflujo mínimo Para el arranque de la operación. para ello se utilizó el equilibrio líquido-vapor de la mezcla. se partió con el dato de la relación de reflujo mínima que sería necesaria utilizar para llevar a cabo la destilación con las composiciones de alimento y de destilado de la fracción 1 utilizando el método Mc Cabe Thiele. En dicha gráfica se trazó una línea operatoria que iba desde la composición de destilado que era deseada obtener. en este caso una composición cercana a la azeotropía (aproximadamente 94 % molar) y la proyección que se obtenía de esta línea hasta las ejes de las ordenadas debido a la concavidad que este sistema presentaba. el cual se puede observar en la figura 9. 107 Dicho valor sirve como base para partir a determinar la relación de reflujo de trabajo mínima que se necesita para completar la destilación.Figura 9. . Equilibrio líquido-vapor del sistema Etanol-agua a una presión de 560 mmHg.0714 Por heurísticas. despejando de la expresión anterior el R se obtiene que: ???? = 0. de aproximadamente 0. La composición molar de la alimentación que se manejó fue del 30% etanol.28. La intersección de esta línea operatoria con el eje de las ordenadas es: ????? ?? ????? = ?? ???? + 1 El punto de corte es. tal como se puede evidenciar en la gráfica de la figura 8.5 ∗ ???? = 0. el R de trabajo es: ??? = 1. 167 ????????? 0. se mide el flujo de este y se determina entonces que el flujo que sale de destilado es: ????????? = 0. el flujo de calor suministrado por unidad de tiempo al lote fue de 16. es posible hallar la relación de reflujo a la que se estaba trabajando así: ?= ??????? ????? − ????????? 0. teniendo en cuenta los índices de refracción medidos se .03 − 0.025 = = 0.445 kW.03 ?/??? Ya cuando se empieza a obtener el destilado de la columna.03 Con dicha relación de reflujo se obtuvo una composición en los destilados de etanol de 97%. Composición y temperatura plato por plato Para conocer la composición plato por plato en la condición de reflujo total se utilizó una curva de calibración determinada experimentalmente por uno de los grupos del laboratorio de operaciones de separación. se mide el flujo de dicho reflujo y se obtiene un resultado de: ??????? ????? = 0.Una vez ya se tenía trabajando la columna de destilación a reflujo total. Calculo requerimiento de calor Para su determinación se plantea un balance de energía suponiendo una entrada y salida de vapor y líquido saturados teniendo en cuenta la masa de condensado del vapor recolectada durante la operación del equipo. ???? = ??????????? ∗ (???? − ???? ) ???? = 65?? ∗ (2662 ?? ?? − 385 ) = 148005 ?? ?? ?? Teniendo en cuenta que la operación de destilación discontinua se llevó a cabo durante un periodo aproximado de 2 horas y 30 minutos.445 kJ/s o 16.025 ?/??? Con los datos de reflujo total y destilado. Las temperaturas calculadas para cada plato.269 7 1.652 2 1.35622 0.145 .049 90.encontraron los siguientes resultados. Tabla 2.577 4 1.187 82.542 79.33637 0. fueron obtenidas a partir del equilibrio de fases etanol-agua. Curva de calibración Índice de refracción para diferentes mezcla de etanol-agua.356 81.458 80.042 8 1.967 6 1. Figura 10.109 85.35251 0.33322 0.3325 0.824 3 1.036 92.33417 0. plato Índice de refracción Composición Temperatura °C 1 1.34497 0.33278 0. Resultados obtenidos durante la práctica de destilación batch.069 88.539 5 1. 36012 0.36235 0.834 78.36321 0.947 77.36166 0.441 12 1.193 17 1.814 20 1.824 .946 18 1.954 77.35833 0.841 78.240 16 1.235 14 1.36305 0.610 78.517 11 1.682 78.36479 0.833 78.756 78.371 13 1.36303 0.36448 0.844 78.9 1.36402 0.36488 0.36317 0.793 78.204 15 1.926 77.831 19 1.895 77.707 10 1. entre otros. el desgaste de los materiales de construcción. posibles fugas. la relación de reflujo de trabajo calculada por Mc Cabe Thiele es menor a la relación de reflujo que se necesitó para alcanzar la pureza en el destilado de 97%. . Perfil de temperatura para la torre de destilación batch. dichos factores hacen que los resultados difieren un poco del comportamiento real de una columna. Como se puede observar. sin embargo se confirma su precisión para el cálculo de reflujos de operación en casos como estos donde el calor de solución es despreciable. la columna es un equipo que ya tiene muchos años de uso. Perfil de composición de la torre de destilación batch. al momento de montar la planta. seguramente eran posibles obtener. causan que se necesite un valor mayor de reflujo para obtener las composiciones que. Figura 12. La principal diferencia está dada a que dicho método no tiene en cuenta la pérdida de calor en cada etapa y a que las líneas de operación deben considerarse rectas en los diagramas xy. posibles daños en los platos. 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS La primera de las fracciones obtenidas en la destilación fue de 11 litros con una concentración al 96. para aumentar esta cantidad se pudo haber operado realizado una variación en el tiempo de la relación de reflujo lo cual requiere mayor seguimiento en la operación de las temperaturas de cimas y fondos. Además.Figura 11. Teniendo en cuenta el reparto esperado vinculado al equilibrio líquido vapor del sistema y a la operación del equipo que favorece el contacto entre fases en cada plato el comportamiento experimental presenta una tendencia similar. la hacen atractiva. RECOMENDACIONES ● Se recomienda tener precaución con las válvulas de toma de muestras por platos. permitiendo entender por qué este tipo de destilación sigue siendo utilizada hoy en día por empresas pequeñas pues sus características como su facilidad de manejo. utilizar mezclas sobrantes de destilaciones anteriores de baja composición de etanol con el fin de reducir la cantidad a pedir de este reactivo. En términos del comportamiento de la composición y temperatura plato a plato los platos superiores tienen una mayor composición del componente más volátil y una temperatura más baja de operación ya en platos inferiores se observa una disminución progresiva de la concentración de etanol y un aumento de la temperatura. 8. fue posible obtener etanol de pureza del 97%. En cuanto al consumo de energía. es posible concluir que si una industria que utiliza este tipo de destilación tiene un proceso de expansión y cada vez requerirá de mayor cantidad de destilado para comercializar.El requerimiento energético del proceso está relacionado con la cantidad de agua condensada en el proceso. será necesario que cambie de equipo a uno continuo pues el alto requerimiento energético necesario para producir la sustancia se traduce en mayores costos y la limitación que existe de la cantidad de destilado con respecto a la cantidad de alimento supone una pérdida de tiempo en el caso de necesitar una gran cantidad de producto. Es necesario realizar mantenimiento a algunas de estas válvulas. A pesar de que otros procesos de separación continuos presentan mejores rendimientos energéticos hay que tener cuenta que la aplicación de una destilación batch permite flexibilidad operativa en cuanto a las condiciones del alimento. ● Es recomendable. ya que algunas son muy sensibles y otras son muy difíciles de manipular. CONCLUSIONES A pesar de que se llegó a la concentración deseada en el destilado manteniendo una relación de reflujo fija que es cercana a la condición óptima si tenemos en cuenta el reflujo mínimo calculado es importante evaluar si la operación de la columna en la condición de reflujo variable es más conveniente en términos de la cantidad obtenida de destilado y consumo energético. 9. . para la mezcla de alimento. su versatilidad en cuanto a las condiciones del alimento y la baja cantidad de variables que es necesario controlar para obtener los resultados esperados en comparación con una destilación continua. en este caso obtuvimos 65 Kg de destilado para la primera fracción con las condiciones exigidas que representó un gasto de 148005 KJ. Aun cuando la columna es un equipo que lleva muchos años en la planta. . 2003. Sexta Edición. SMITH. TREYBAL. R. 5.1991. Centro de publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Segunda Edición. McCABE. GEANKOPLIS.10. J.A. C. 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