1r ciclo destilación de etanol

[kasio]

Pongamos el caso de que se quiere destilar una mezcla etanol y agua, como presenta un azeótropo no es posible separar completamente estas dos sustancias, se consigue en torno al 95-96%. He leído por internet que destilando al vacío se obtienen concentraciones de etanol superiores. ¿Es esto cierto? Yo pienso que si bajas la presión lo único que vas a conseguir es destilar a temperaturas más bajas porque el punto de ebullición desciende, pero desciende tanto el del azeótropo también y por lo tanto consigues las mismas concentraciones que a presión atmosférica.


Un saludo!

[Richard R Richard]

Re: destilación de etanol

He leído por internet que destilando al vacío se obtienen concentraciones de etanol superiores. ¿Es esto cierto?

Si es cierto...

Yo pienso que si bajas la presión lo único que vas a conseguir es destilar a temperaturas más bajas porque el punto de ebullición desciende, pero desciende tanto el del azeótropo también y por lo tanto consigues las mismas concentraciones que a presión atmosférica.

Hola Kasio , la relación de concentraciones de la mezcla que produce el azeótropo, no es constante con la presión, al bajar la presión el azeótropo permite mayor concentración de agua y menor de etanol.

Que sucede entonces

supón que partes de una mezcla x de proporciones entre etanol y agua , donde x es menor al 97% que es la concentración de etanol del azeótropo, es decir el azeótropo puro tiene 97%etanol y 3 % agua.

Pones a presión atmosférica a hervir un balón de destilación con la mezcla, mientras recoges lo destilado y observas que la temperatura asciende hasta 78°C y allí comienza a ebullir, permanece a esa temperatura mientras se evapora el etanol, cuando se acaba, la temperatura comienza subir nuevamente, en ese momento separas el etanol recogido, si haces un análisis concluirás que tienes aun un 5% de agua, con varias destilaciones , puedes llegar al máximo de pureza del azeótropo un 97% de etanol y 3% de agua...
Estos procedimientos son antieconómicos por lo que en general, se destila y se obtiene un alcohol del 95.5 /96% .

Ahora bien como te adelante la máxima concentración de etanol del azeótropo disminuye con la presión, al vacío es posible obtenerlo al 93% de etanol por ejemplo. Lo que se hace entonces es usar el destilado proveniente de la primer destilación, y destilarlo nuevamente al vacío, como ahora la mezcla es capaz de retener un 4% mas de agua, solo se evaporara etanol puro, hasta que se alcance la concentración de 93% etanol y 7% agua osea la del 100% del azeótropo a esa presión.

Como vez el etanol se puede desprender puro de esa forma, el tema es luego, mantenerlo en esas condiciones porque es altamente higroscópico, y en el ambiente absorberá toda la humedad del aire hasta llegar a la composición de la mezcla azeotrópica a esa presión. lo que sucede bastante mas rápido de lo que se necesita industrialmente.


un ejemplo

x=60% etanol

$m_0$=masa a destilar

en la primer destilación (despreciando perdidas de masa)

tenemos $m_0 \dfrac{60}{100}$ de etanol,

si suponemos que lo obtuvimos al 96% estará acompañado de agua, entonces la masa obtenida de la destilación será

$m_t \dfrac{96}{100}=m_0 \dfrac{60}{100}$

de donde

$m_t=m_0 \dfrac{60}{96}$

La masa de agua descartada en el balón es $m_d=m_0-m_t$

la masa de agua presente en el azeótropo es $m_A=m_t \dfrac{4}{100}$

cuando destilamos al vacío la masa de agua se conserva hasta llegar al 7% dentro de la mezcla azeotrópica de masa $m_f$ que queda en el balón , y habrá otra masa de etanol que sera la evaporada,
es decir

$m_A=m_f\dfrac{7}{100}$

ahora igualando $m_f= m_t \dfrac{4}{7}$

y la masa de etanol evaporada pura es $m_e=m_t-m_f=m_t \dfrac{3}{7}=m_0 \dfrac{60\cdot 3}{96\cdot 7}=26.7\%m_0$


Osea para resumir, si varias la temperatura la concentración del azeótropo no varia, pero si lo hace al variar la presión.

Ademas hay otros metodos que permiten separar el etanol puro que puedes leer mas en...

Fuentes

https://es.wikipedia.org/wiki/Aze%C3%B3tropo

https://es.wikipedia.org/wiki/Destil...eotr%C3%B3pica

[kasio]

Re: destilación de etanol

Gracias por tu respuesta, ha sido muy completa. La pregunta la tengo porque estoy haciendo un ejercicio sobre destilación a vacío y no se muy bien como abordarlo.
El problema dice que la mezcla líquida atraviesa una válvula de expansión para reducir su presión antes de entrar en la columna. se conocen datos de la entrada a la columna (10000 litros a T=40 ºC y 10%vol. etanol y 90%vol agua). Se supone que la alimentación ya está con presión negativa al a haber atravesado la válvula.
La destilación se lleva a cabo en una columna en la que no se conocen el número de platos, las presiones de salida se desconocen, y las composiciones. Tan solo conoces la T a la salida del calderín, donde se obtiene el residuo que se desea que tenga la menor concentración posible de etanol. Del condensador también se espera que el destilado obtenido tenga la máxima cantidad posible de etanol.

Lo que he podido plantear es lo siguiente:

Debido a las bajas concentraciones se puede estimar que el porcentaje volumétrico es casi igual al porcentaje másico y como se va a trabajar con fracciones molares hay que pasar el porcentaje másico a molar:

$X_{etanol}=4,17%<br />$
$<br /> X_{agua}=95,8%<br />$

A 40 ºC se calculan las presiones de vapor de los componentes para luego calcular la presión de burbuja:

$<br /> P_{vap etanol}=0,177 atm <br />$
$<br /> P_{vap agua}=0,073 atm<br />$
$<br /> k_{i}=\frac {P_{i}}{P_{burbuja}}<br />$

$<br /> \Sigma =k_{etanol}·x_{etanol}+k_{agua}·x_{agua}= x_{etanol}·\frac {P_{vap etanol}}{P_{burbuja}} + x_{agua}·\frac {P_{vap agua}}{P_{burbuja}}=1<br />$
$<br /> 0,0417·\frac {0,177}{P_{burbuja}} + 0,958·\frac {0,073}{P_{burbuja}}=1 -> P_{burbuja}=0,077 atm<br />$

El problema se simplificaría si se conociesen las concentraciones de salida pero como no se puede habrá que tener algunas consideraciones:

$<br /> 1) P_{colas}=P_{cabezas}+\Delta P_{condensador}+\Delta P_{platos}<br />$
$<br /> 2) P_{alimentacion}=P_{cabezas}+\Delta P_{condensador}+\Delta P_{platos}<br />$
$<br /> 3)\Delta P_{condensador}=0,408 atm<br />$
$<br /> 4) \Delta P_{platos}= 0,0068 atm \left(n-1)<br />$

5)Tampoco se conoce en que plato ocurre la alimentación a la columna


Como podemos comprobar, la alimentación está a 0,075 atm, y según la ecuación que acabo de poner, al otro lado del igual está la pérdida de presión en el condensador que ese término es 0,408 atm mucho mayor que 0,075 atm.

¿Como podría conocer las concentraciones de salida en función de la presión? ¿para solucionar el problema de la pérdida de presión en el condensador debería utilizar una columna de destilación que no tuviese condensador y condensar el destilado posteriormente fuera de la columna?

Estoy un poco estancado, agradecería que me alguien me pueda ayudar a salir del barro.

Gracias!

[Richard R Richard]

Re: destilación de etanol

G Del condensador también se espera que el destilado obtenido tenga la máxima cantidad posible de etanol...........
¿Como podría conocer las concentraciones de salida en función de la presión?

Cual es la composición del azeótropo a esa presión, esa sera la máxima concentración posible de etanol.


no se de donde sale el valor de 0.408 atm de $\Delta P_{condensador}$ , el $\Delta P$ Plato es la altura de liquido en cada plato por su densidad, acumulandose plato a plato , a mayor altura menor presion

las formulas 1 y 2 son iguales estas suponiendo que la la alimentación se hace por el fondo y no por el medio

recuerda que la mezcla de etanol y agua responde a una curva similar a esta





donde Ta= 78.4 °C y Tb=100 °C respectivamente, mientras que el azeótropo lo hace a $T_{AZ}= 78.2 °C. <br />$ para la destilacion simple a presion atmosferica normal



http://apuntescientificos.org/dest-f...ropos-qfi.html


la animación en esa página muestra las curvas de extracción de los platos a izquierda y derecha, aunque a derecha la diferencia de temperatura es muy escasa en este caso

https://es.wikipedia.org/wiki/Column...raccionamiento

https://es.wikipedia.org/wiki/Destil...3n_fraccionada

[kasio]

Re: destilación de etanol

Los 0,408 atm equivalen a los 6 psi que estipulan las reglas del pulgar en cuanto a pérdida de presión en el condensador. Puesto que la pureza del etanol disminuye al trabajar a menor presión había pensado en alimentar la torre fuese por el medio para mejorar el rendimiento.
He buscado algo de información sobre la composición de una mezcla azeotrópica en función de la presión de trabajo y he visto que se puede saber la composición usando los coeficientes de actividad, pero hay varios modelos: Margules, Van Laar, Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC, y no se cuál es el más conveniente. ¿Conoces estos modelos?

Gracias.

[Richard R Richard]

Re: destilación de etanol

Los 0,408 atm equivalen a los 6 psi que estipulan las reglas del pulgar en cuanto a pérdida de presión en el condensador.

Quieres decir que es lo que te dicta la experiencia, o interpreto mal desde este lado del Atlántico? Si es así quiza debes hilar mas fino, en las caracteristicas de la torre de destilación.

Puesto que la pureza del etanol disminuye al trabajar a menor presión había pensado en alimentar la torre fuese por el medio para mejorar el rendimiento.

Hasta aqui te puedo seguir en la idea, segun lo que entiendo es que alimentar por los extremos es malo, o por calidad de lo extraído, o por consumo energético, así que creo que estas rumbeado.

He buscado algo de información sobre la composición de una mezcla azeotrópica en función de la presión de trabajo y he visto que se puede saber la composición usando los coeficientes de actividad, pero hay varios modelos: Margules, Van Laar, Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC, y no se cuál es el más conveniente. ¿Conoces estos modelos?

Gracias.

Si eso he leido en algunos sitios, pero, mi conocimiento es escaso sobre ellos, que no me atrevo a recomendarte, son muchos años ya desde que estudié, ni me suenan esos nombres y por lo general casi todo era referido a la destilación fraccionada era relativo a la industria petrolera, y el alcohol etílico y un puñado de otros productos los vimos como casos especiales de la industria quimica, y mucho mas no te puedo aportar.

Si lo que tienes que hacer es proponer un modelo práctico, fija parámetros para 2 o 3 modelos que los tengan en comun , y observa a que resultados te llevan, quizás la diferencia de resultados entre metodos de calculo sea tan pequeña, que no importe en demasía el método sino que al menos propongas uno de ellos.

[kasio]

Re: destilación de etanol

En efecto, es lo que dicta la experiencia recogida en alguna bibliografía. Aunque no es un valor exacto porque cada caso concreto tendrá un valor diferente para el cálculo de la pérdida de presión es un valor aproximado que simplifica las cuentas.

La columna que tengo que diseñar trabaja a vacío. La alimentación tiene la composición molar que puse y conoce su temperatura, he considerado que la alimentación se encuentra en estado de saturación por eso puse una válvula previa a la columna para descender su presión de la atmosférica a 0,075 atm. Como mi intención es poder separar lo máximo posible los componentes he decidido que la alimentación no entre por el fondo.
Los cálculos del número de platos y las relaciones de reflujo y las presiones de temperatura y salida creo que podré obtenerlos, el problema principal que tenía era determinar las composiciones molares a las salidas pero creo que con los coeficientes de actividad podré resolverlo. Voy a buscar datos y a resolverlo. Cuando consiga hacerlo pondré el procedimiento aquí por si a alguien le surge más adelante la duda de como calcularlo.

[kasio]

Re: destilación de etanol

Al final fui capaz de encontrar los datos con programas de simulación, tan solo me quede resolver un sistema de ecuaciones. Una pregunta que me queda, ¿en un azeótropo la presión de burbuja es también la presión de rocío? yo a priori diría que si porque en un diagrama que repesenta temperatura frente a composición, las curvas los puntos de rocío y los puntos de burbuja coinciden.

[Richard R Richard]

Re: destilación de etanol

La presión de burbuja la tienes cuando el sistema se compone de liquido saturado en presencia de vapor en equilibrio.
y el punto de rocío lo tienes cuando el sistema se compone de vapor saturado en presencia de liquido en equilibrio.

la diferencia entre un punto y el otro es la relacion de liquido y vapor como un azeotropo destila a una temperatura fija, creo que correcto lo que afirmas y ambas coinciden