INGENIERO QUÍMICO

Universidad de Valladolid

INFORME DE PRÁCTICAS

ASIGNATURA: EXPERIMENTACIÓN EN INGENIERÍA QUÍMICA II

CURSO: 2011/2012 FECHA: 24/10/2011

PRÁCTICA 1: DESTILACIÓN DIFERENCIAL

GRUPO: A PAREJA: 4

TIEMPO EMPLEADO

ALUMNO EN EL INFORME

JORGE FERNÁNDEZ GARCÍA 9 h

MARCOS PASCUAL ARRIBAS 9 h

EXPERIMENTACIÓN EN I. Q. Práctica 1 Grupo A Pareja 4

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ÍNDICE

1.- Objetivos Pág. 2 2.- Diagrama de flujo Pág. 3 3.- Fundamento teórico Pág. 3 4.- Procedimiento experimental Pág. 5 5.- Datos experimentales Pág. 6 6.- Resultados Pág. 7 7.-Seguridad Pág.12 8.- Conclusiones y Juicio crítico Pág.12 9.- Bibliografía Pág.13 10.-Nomenclatura Pág.13

11.- Anexos Pág.14

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1. OBJETIVOS

En esta práctica llevamos a cabo la destilación diferencial de una mezcla diferencial de

etanol-agua:

1. Comprobar experimentalmente la validez de la ecuación de Lord Rayleigh.

2. Seleccionar, razonadamente, métodos alternativos para la medida de la

Composicion de la mezcla.

3. Calcular el error asociado.

La práctica está compuesta por:

Torre de destilación diferencial.

1 matraz de tres bocas de 1 L con tapones esmerilados y juntas de cierre.

1 erlenmeyer de 100 ml con tapón esmerilado y junta de cierre.

Soporte móvil para matraz de 1 L.

Manta calefactora + potenciómetro.

2 termómetros.

1 picnómetro.

1 pipeta de 50 ml.

1 probeta de 100 ml.

Vasos de precipitados de 100 ml, 500 ml y 1 L.

Jeringuillas de 5 ml, 20 ml y 50 ml.

SISTEMA: Etanol-agua

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2. DIAGRAMA DE FLUJO DE LA INSTALACIÓN

B-1: Recipiente con calentador externo. El calentador externo es una manta térmica que opera a 220 V. B-2: Erlenmeyer de recogida del destilado con una capacidad de 100 ml. W-1: Sistema de refrigeración. TI-1: Indicador de temperatura. V-1 y V-2: Válvulas de paso.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO La destilación es una operación de separación que consiste en eliminar uno o más de los componentes de una mezcla volátil por medio de la transferencia simultánea de calor y masa. Se basa en la diferencia de volatilidad de los constituyentes de la mezcla, separando o fraccionando estos en función de su temperatura de ebullición. Para el caso de la destilación diferencial, se trata de una operación intermitente en la que la mezcla se calienta hasta su temperatura de burbuja. El vapor se condensa y se recoge en forma de líquido. A medida que se va evaporando el componente más volátil, la temperatura de ebullición de la mezcla va aumentando.

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Suponiendo que el vapor generado y la alimentación se encuentran en equilibrio dinámico, su composición variara continuamente. En una mezcla binaria tendremos el componente A (más volátil), para nuestro caso se trata de etanol; y el componente B, agua. En esta experimentación se procederá a realizar la destilación diferencial de una mezcla de etanol-agua. El equilibrio de esta mezcla tiene la particularidad de poseer un azeótropo. Un azeótropo es una mezcla líquida de dos o más componentes que poseen un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un solo componente. Puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple. En el punto donde se forma el azeótropo, la composición de la fase líquida y vapor en equilibrio líquido-vapor es idéntica. La mezcla de etanol y agua es uno de los ejemplos más mencionados. Ésta forma un azeótropo para una concentración del 95% en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de 78,2 ºC. Con una destilación simple se obtiene un alcohol con este título, pero para conseguir un compuesto más puro se necesita utilizar recursos especiales como una destilación azeotrópica. También el etanol en concentraciones mayores al 99% es usado como combustible de autos en algunos países.

Ecuación de Lord Rayleigh. Es necesario comprobar si se cumplen los balances de materia para el sistema antes de validar la ecuación de Lord – Rayleigh. B. M. Global: Mtotal = Mresiduo + Mdestilado [1] B. M. al etanol: Mtotal * Xalimentación = Mresiduo* Xresiduo + Mdestilado* Xdestilado [2] - Ecuación de Lord – Rayleigh: Para el caso de una mezcla binaria, la relación entre la cantidad de líquido inicial L0 y el líquido al final de la destilación L, viene dada por la ecuación de Lord Rayleigh, la cual resulta de efectuar un balance de materia en el proceso: sea una mezcla de dos componentes solubles, designemos por L al número total de moles de la misma, por “x” a la fracción mol del componente más volátil del líquido y por “y” a la fracción molar del mismo componente en el vapor de equilibrio con el líquido original. Sean dL los moles que hay que vaporizar; el líquido perderá una cantidad diferencial del componente más volátil y el vapor lo ganará. Balance de materia: (King 1979) (L – dL) · (x – dx) + (y + dy)·dL = L·x [3]

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Resolviendo la ecuación y despreciando el producto de diferenciales, se tiene:

[4]

Integrando entre límites se llega a la ecuación de Lord Rayleigh:

[5]

Donde L0= moles de carga inicial. L = moles de carga residual después de haber destilado (L0-L) x0 = fracción mol del componente más volátil en la carga inicial. x = fracción mol del componente más volátil en la carga residual.

Para el cálculo de las densidades utilizamos la ecuación: ρ = M / V [6] Donde: ρ = Densidad (g/l) M = Masa (g) V = Volumen (l)

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

-Conocer la pureza de la disolución de etanol. Para ello utilizaremos el picnómetro del laboratorio. La medimos puesto que el etanol se encuentra algo diluido en agua, no es puro. -Calculamos el volumen del picnómetro, esto nos permitirá medir la densidad de cualquier fluido. El picnómetro se pesa vacío y lleno de agua destilada. La diferencia de ambos será la masa y con la densidad del agua, determinamos el volumen del picnómetro. - Una vez calculado el volumen del picnómetro, se llena de la disolución de etanol. Por diferencia con el picnómetro vacío, se obtiene la masa de la disolución. Con la masa y el volumen hallamos la densidad del alcohol. En las tablas del Perry, podemos relacionar la pureza de la disolución de etanol con la densidad. - En este caso tomaremos 50% en peso de agua y etanol. Con la densidad calculada anteriormente y tomando 250 gramos de cada componente podemos calcular los mililitros necesarios. - Pesamos el matraz de 3 bocas y el erlenmeyer, donde obtendremos el destilado, vacíos.

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-El matraz de 3 bocas se engancha al sistema de destilación y comprobamos si el sistema de refrigeración funciona correctamente y a continuación encendemos la manta calefactora. Se debe asegurar antes que la válvula de paso esté cerrada. - Una vez comience a condensar el vapor se abre la válvula de paso del condensado. - Cuando se alcance la cantidad de condensado deseada, en nuestro caso 75 ml aprox., se finaliza la destilación y se desconecta la manta calefactora. - Esperamos hasta que se enfríe el residuo del matraz de 3 bocas y el destilado en el erlenmeyer. De esta forma evitaremos que se evapore parte del etanol y sus errores en los cálculos. - Una vez enfriado, se pesa el residuo y el destilado. - Determinamos la densidad del residuo y destilado mediante el picnómetro. Utilizando las tablas del Perry, como hicimos anteriormente, obtenemos las concentraciones de residuo y destilado en % en peso. - Se desconecta la refrigeración.

5. DATOS EXPERIMENTALES

Los valores de las variables utilizadas son:

Presión 710 (mmHg) Temperatura 20 (ºC)

Densidad del agua 998,23 (kg/m3) Densidad del etanol 789 (kg/m3)

Tabla 1: valores de las diferentes propiedades

Masa

(g)

Picnómetro 16,163 Matraz 460,2

Erlenmeyer 68,9 Tabla 2: Muestra las masas de los diferentes recipientes.

Utilizamos dos básculas diferentes para pesar el picnómetro y los otros recipientes, debido a eso en el picnómetro hay tres decimales y en los otros uno.

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Para el cálculo del volumen del picnómetro pesamos este lleno de agua.

Masa

(g)

Picnómetro con agua 23,936 Picnómetro con etanol 22,310

Tabla 3: Muestra la masa del picnómetro lleno de diferentes fluidos. Para realizar la práctica cogimos la misma masa de agua y etanol, con sus volúmenes correspondientes. 50% en peso de cada componente.

Masa Volumen

(g) (ml)

Agua 249.7 250,4 Etanol 249.5 316,7

Masa Total 499.2 Tabla 4: Muestra la masa tomada de los diferentes fluidos.

Una vez terminada la práctica pesamos el destilado obtenido y el residuo que había quedado en el matraz.

Masa Masa liq

(liq+recip) (g) (g)

Destilado 137,1 68,2 Residuo 888,7 428,5

Total 496,7

Tabla 5: Muestra la masa de destilado y residuo después de la destilación. La concentración del destilado y residuo la obtenemos calculando la densidad de estos, por lo que pesamos el picnómetro con ello.

Masa Masa

(liq+pic) (g) liq(g)

Destilado 22,638 6,475 Residuo 23,344 7,181

Tabla 6: Muestra la masa de destilado y residuo en el picnómetro. 6. RESULTADOS: CÁLCULOS Y ANÁLISIS Determinación de la pureza de la disolución de etanol. Para saber la concentración del etanol que hay en el laboratorio, utilizaremos el picnómetro para conocer la densidad y con la densidad miraremos unas tablas donde pone la concentración de etanol para cada densidad. (Perry, 2001) Tabla12. Anexos

Primero calcularemos el volumen del picnómetro, para ello llenamos el picnómetro de agua destilada y lo pesamos, calculamos la masa de agua que hay y con la densidad a la temperatura del laboratorio, obtenemos el volumen del picnómetro.

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Para ello utilizamos la ecuación [6].

Masa Volumen Densidad

(g) (ml) (g/ml)

Picnómetro con agua 23,936 7,787 0,998 Picnómetro con etanol 22,310 7,787 0,789

Tabla 7: Muestra la masa del picnómetro y el cálculo de volumen.

Una vez obtenido el volumen del picnómetro, calculamos la densidad del etanol del laboratorio, dando: 789.41 Kg/m³ que mirándolo en las tablas de composición podemos apreciar que tenemos un etanol de 100% de pureza.

Preparación de la disolución a destilar.

Como el etanol utilizado es puro, como se ha comprobado en el apartado anterior, el volumen tomado es el representado en la tabla 4.

Comprobación de los balances de materia.

Balance de materia global.

Realizamos los balances de materia para ver si se lleva a cabo la conservación de materia en el experimento.

Masa Masa liq

(liq+recip) (g) (g)

Destilado 137,1 68,2 Residuo 888,7 428,5

Total 496,7

Tabla 8: Muestra la masa de destilado y residuo resultante.

La masa utilizada inicialmente fue de 499.2g, mientras que la masa obtenida al final del experimento, sumando la masa del residuo mas la del destilado es de 496.7g.

Por lo tanto podemos ver una pequeña pérdida de masa. Esto puede ser debido entre otras cosas a una pequeña deposición de materia en las paredes de nuestra columna de destilación. Descartamos que este error sea por una pérdida de materia en fase gaseosa ya que suponemos que con nuestra agua de refrigeración, todo el vapor que se produce en la torre, se condensa sin llegar a tener perdidas por la parte superior de la torre.

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Balance de materia al etanol (volátil).

Para calcular este balance se utiliza la ecuación [2].

Destilado Masa (g) Masa etanol (g) Masa agua(g) Mol etanol Mol agua X etanol Xagua 68,20 57,83 10,37 1,26 0,58 0,686 0,314

Tabla 9: Muestra la masa, moles y composición del destilado

Residuo Masa (g) Masa etanol (g) Masa agua(g) Mol etanol mol agua X etanol Xagua 428,50 197,54 230,96 4,29 12,83 0,251 0,749

Tabla 10: Muestra la masa, moles y composición del residuo resultante.

Introduciendo cada valor en la ecuación utilizada, calculamos la masa que utilizamos realmente en nuestro experimento y se observa que los valores no coinciden:

F·xf = D·xd + R·xr F(g)= 249,5

D(g)= 68,2 R(g)= 428,5

F·xf D·xd + R·xr 249,5 255,4

Tabla 11: Muestra el balance al etanol.

Este error puede ser debido a las causas anteriormente comentadas. También puede ser a causa de una rápida destilación al principio.

Comprobación de la validez de la ecuación de Lord Rayleigh.

La ecuación de Lord Rayleigh es:

Para poder comprobar esta ecuación se utilizará una ecuación de equilibrio que relacione la fracción molar de destilado con la de colas. Se considera que, durante la destilación, el líquido y el vapor se encuentran en equilibrio en el ebullidor. Para ello se utiliza un diagrama de equilibrio x-y para la mezcla etanol-agua. Se ha trabajado a una presión de 710 mmHg (J.Gmehling et al, 1981). Para desarrollar el objetivo se utilizará una ecuación analítica de x para resolver la integración, aunque también es posible hacerlo numéricamente. Por tanto, se procederá a acotar un pequeño intervalo del diagrama que incluya la fracción obtenida experimentalmente, aproximando los datos de ese intervalo a una ecuación de ajuste.

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Gráfica 1: Equilibrio etanol-agua y comprobación de Lord-Rayleigh.

La ecuación de la recta tomada para la comprobación de Lord-Rayleigh es la siguiente:

Ecuación y = 0,4059x + 0,4504

Con un ajuste lineal de: R2 = 0.9994

Con estos valores de la pendiente y de la ordenada, además de la composición de etanol en la alimentación (z) y la composición en el residuo (xwf) obtenemos el valor de la integral. Los valores de z y xwf son 0.281 y 0.251 respectivamente.

bxabza

aWfF

wf +⋅−+⋅−

−=

)1()1(ln

)1(1ln

Los valores obtenidos de la integral mediante la ecuación de Lord-Rayleigh son los siguientes:

ln(L0/L) 0,119 INTEGRAL 0,104

El error no es muy grande pero la ecuación no se cumple. Este error se debe a pérdidas al ambiente, o a errores a la hora de pesar las mezclas, como puede ser que las pesadas se realizaron a distintas temperaturas. No se cumple la ecuación, pero el error no es elevado (error = 15.1%)

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Búsqueda de posibles métodos de análisis de la composición de la mezcla En este apartado se proporciona un estudio de posibles métodos alternativos a la técnica utilizada en el laboratorio, comparando su viabilidad y precisión. Métodos Físicos -Métodos de medida de densidad relativa. Aparte del método usado en la experimentación, existen otros métodos físicos como hidrómetros o densímetros que proporcionan también una medida de la densidad. Estos poseen una viabilidad y precisión menor que el picnómetro. -Cromatografía de gases. Este método presenta el inconveniente de que es necesario disponer de un cromatógrafo de gases que es un equipo caro, aparte también se necesita disponer de patrones certificados. Pero si se dispone del equipo necesario y los patrones, este método proporciona una medida de la concentración rápida y fiable. -Medida del índice de refracción de las mezclas. Este método no es adecuado para la determinación de la composición de las mezclas de etanol-agua por dos motivos:

- Presenta poca variación con la composición al ser similares los índices de los compuestos puros. - Los componentes presentan un máximo frente a la composición.

Métodos Químicos Este tipo de métodos precisan de reactivos químicos, además es necesario más tiempo en su realización.

-Oxidación del etanol presente a ácido acético mediante dicromato y posterior valoración de éste. Las reacciones que se producen son:

2Cr2O72- + 3C2H5OH +16H+ + => 4Cr3+ + 3CH3COOH + 11H2O Cr2O7

2- + 6Fe2+ + 14H+ => 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O El etanol puede oxidarse tanto a acetaldehído como a una mezcla de acetaldehído y ácido acético. Este es el principal problema de este método, ya que será necesario controlar el pH de reacción. Además, si la mezcla etanol-agua se encuentra desnaturalizada, podrían interferir otros compuestos en la medida. -Reacciones de acetilación y ftalación. El etanol reacciona con una cantidad determinada tanto de anhídrido acético como ftálico en disolución de piridina. La concentración de etanol se mide por el descenso de la acidez de la disolución de anhídrido, provocada por la reacción de los grupos hidroxilos del etanol. Este método no es fiable para mezclas de etanol con varios compuestos, porque todos los grupos que contengan grupos hidroxilo interferirán en la

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medida; en este caso es un método aceptable porque la mezcla sólo contiene etanol y agua (la concentración de iones OH- en el agua destilada es despreciable). -Métodos colorimétricos. Este método sólo puede aplicarse para la determinación de trazas de etanol, de manera que en este caso no puede emplearse. Métodos Bioquímicos Oxidación de etanol a acetaldehído mediante enzimas. La reacción ha de seguirse espectrofotométricamente a una longitud de onda de 340nm, ya que a esta longitud de onda, la absorbancia es proporcional al aumento de concentración de la enzima. Este tipo de métodos son más complicados y emplean más tiempo que los anteriores porque es necesario disponer de una enzima específica y unas determinadas condiciones, a parte del equipo para medir la absorbancia. 7. SEGURIDAD En esta práctica utilizamos el sistema etanol-agua. Las hojas de control de los respectivos componentes se encuentran adjuntadas en los anexos. Cabe destacar que a la hora de trabajar hay que prestar gran atención al etanol, ya que se trata de un producto inflamable y trabajamos con temperaturas altas. ACCIONES DE EMERGENCIA. Para el etanol: Inhalación => Dirigirse hacia un lugar ventilado. Si es necesario se practicara la respiración artificial. Ojos => Lavar inmediatamente con agua o disolución salina. Piel => Eliminar ropa contaminada y lavar la piel con agua y jabón. Ingestión => No inducir el vomito. Para el sistema: Si se produce un incendio deberíamos llevar a cabo una desconexión del sistema y utilizaríamos un extintor para apagar la llama. Si se produjera una quemadura aplicaríamos agua fría sobre esta y se proporcionaría asistencia sanitaria.

8. CONCLUSIONES Y JUICIO CRÍTICO

- La pureza obtenida del etanol del laboratorio es del 100% por lo que podemos

decir que es etanol puro. Esto en teoría no sería cierto, ya que el etanol del laboratorio tendría alguna impureza porque lo utiliza todo el personal del laboratorio.

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- A la hora de hacer el balance de materia global, se observa que tenemos un pequeño error, ya que toda la materia inicial tendría que ser igual que toda la materia final (residuo + destilado) y esto no es así. Este problema puede ser debido a perdida de la masa, ya sea por nuestra torre de destilación o por los recipientes utilizados.

- La ecuación de Lord-Rayleigh no se cumple con un error del 15%. Esto puede

ser por un error, como en el punto anterior. Se supone que si no hubiera este tipo de errores, la ecuación sí que se cumpliría ya que dicho error no es muy grande.

- Para concluir, podemos decir que la práctica está bien realizada ya que no hay

mucho error en los balances de materia y en la ecuación de Lord-Rayleigh. 9. BIBLIOGRAFÍA

C. Judson King. “Procesos de separación” Editorial Reverté, 1979. Robert H. Perry, Don W.Green, James. Maloney. “Manual del ingeniero químico”. Ed. McGrawHill. Séptima edición, Volumen I, 2001. J.Gmehling, U. Onken, W. Arlt.“Vapor-liquid equilibrium data collection”. Vol. I, parte 1a., Ed. Dechema, 1981. 10. NOMENCLATURA La simbología utilizada es:

Símbolo Definición Unidades ρ Densidad g/l α Volatilidad Adimensional D Destilado mol F Alimentación g o mol m Masa g V Volumen ml z Fracción en masa etanol inicialmente Adimensional xD Fracción en masa en el destilado Adimensional xd Fracción en masa del componente más volátil en el

destilado Adimensional

xwf Fracción en masa en el residuo Adimensional xw Fracción en masa del componente más volátil en colas Adimensional W Colas mol

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11. ANEXOS

Tabla 12: Relación de densidades y composiciones.