Destilacion

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE AGROINDUSTRIA

“DESTILACION”

ESTUDIANTES:

Avila Gonzales Carlos Omar Jesus

Carbajal Vega Jani Pamela

Paredes Nonato Lars Nilsson

CICLO:

NOVENO

ASIGNATURA:

Laboratorio de Operaciones

Unitarias

DOCENTE:

Williams Castillo

NUEVO CHIMBOTE- PERU

09 DE JUNIO DE 2015

INDICEBALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN DESTILACION.......................................1

INTRODUCCION................................................................................................... 1

OBJETIVOS........................................................................................................... 1

MARCO TEORICO................................................................................................2

PRINCIPIO DE DESTILACIÓN..........................................................................2

COLUMNAS DE DESTILACION........................................................................3

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN EL DESTILADOR DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS............................................4

EQUIPOS Y MATERIALES...................................................................................5

EQUIPO:............................................................................................................ 5

MATERIALES:.................................................................................................... 6

PROCEDIMIENTOS..............................................................................................7

RESULTADOS...................................................................................................... 8

RESULTADOS TOMANDO EN CUENTA EL VOLUMEN DEL CALDERÍN.......8

CUADRO RESUMEN:......................................................................................13

RESULTADOS SIN TOMAR EN CUENTA EL VOLUMEN DEL CALDERÍN.. .14

CUADRO RESUMEN:......................................................................................19

DISCUSION......................................................................................................... 20

CONCLUSIONES................................................................................................21

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................... 22

ANEXO................................................................................................................ 23

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN DESTILACION

INTRODUCCION

La destilación es una de las operaciones unitarias más empleadas en la

industria química, petroquímica, alimentaría, farmacéutica y cosmética, para la

separación de los componentes que forman mezclas líquidas miscibles. La

destilación es una operación de transferencia de masa, tal como la absorción o

la cristalización. La destilación se puede definir como la operación cuyo fin es la

separación de dos o más líquidos miscibles mediante la ebullición, en donde

los vapores obtenidos se recuperan y se condensan como producto deseable;

dichos vapores son más ricos en el líquido o líquidos más volátiles, mientras

que los fondos, o líquidos remanentes, son más ricos en las sustancias menos

volátiles. Esta operación recibe también los nombres de alambicación,

refinación, agotamiento, fraccionamiento y rectificación.

Desde la perspectiva de la química orgánica, se estudia la destilación a escala

laboratorio, con montajes pequeños de menos de 10 L de carga. En este

enfoque, la destilación, que es en sí una técnica de separación, no se usa solo

con el fin de separar una mezcla de líquidos con distintas volatilidades, sino

que también se aprovecha para determinar distintas propiedades de éstas.

En los procedimientos y laboratorios de química orgánica, al igual que en la

industria, la destilación es una operación ampliamente usada, debido a su

versatilidad ya que es una de las operaciones de separación más conocidas en

la actualidad.

OBJETIVOS

Determinar la masa o volumen de la solución final en el calderín.

Determinar la masa o volumen de la solución perdida en tuberías.

Determinar la concentración (%p/p) final en el calderín.

Determinar los grados alcohólicos al final del destilado.

Determinar la energía perdida por las paredes de la tubería.

pág. 1

MARCO TEORICO

PRINCIPIO DE DESTILACIÓNEl principio de la destilación se basa en las diferencias que existen entre los

puntos de fusión del agua (100ºC) y el alcohol (78.3ºC). Si un recipiente que

contiene alcohol es calentado a una temperatura que supera los 78.3ºC, pero

sin alcanzar los 100ºC, el alcohol se vaporizará y se separará del líquido

original, para luego juntarlo y re condensarlo en un líquido de mayor fuerza

alcohólica.

Resultados similares pero de separación más difícil pueden lograrse invirtiendo

el proceso. Esto implicaría enfriar el alcohol contenido en un líquido,

comenzando a congelar el agua cuando se alcancen los 0ºC y separar el

alcohol de la solución (el punto de congelación del alcohol es -114ºC).

Así, de comprender el proceso de destilación se deduce que los mayores

componentes de las bebidas destiladas son el alcohol etílico (C2H5OH) y el

agua.

La combinación de estas dos substancias en una mezcla directa no produce

una bebida sabrosa, aunque esto cambia al adicionarle componentes con

carácter propio, y que dan aroma y sabor que hacen sumamente atractivo su

consumo.

El secreto de las bebidas alcohólicas destiladas, y en especial del productor, es

el de otorgarle a la bebida una fuerza alcohólica elevada y al mismo tiempo que

el producto final sea gustoso al paladar.

Generalmente los materiales de los que se parte para la elaboración de

bebidas destiladas, son alimentos dulces en su forma natural como la caña de

azúcar, la miel, leche, frutas maduras, etc. y aquellos que pueden ser

transformados en melazas y azucares.

Todos estos elementos de los que se parte contienen agentes activos que los

transforman naturalmente en alcoholes, excepto en el caso de la papa donde

se debe adicionar algún cereal para lograr el mismo efecto. Los agentes activos

son enzimas, y están encargados de transformar el azúcar en alcohol. Las

enzimas son generalmente compuestos nitrogenados solubles en agua que se

comportan como albuminoides, los que, actúan como catalizadores dado que

pág. 2

pequeñas cantidades de enzimas logran un cambio efectivo en grandes

cantidades de material base destinada al producto.

COLUMNAS DE DESTILACIONUna columna de destilación es una estructura

cerrada en la cual se realiza la separación físicia de

un fluido en dos o mas fracciones. Esta separación

se logra sometiendo el fluido a condiciones de

presión y temperatura apropiadas a lo largo de la

columna, de modo de lograr que las fracciones que

se buscan separar se encuentren en dos estados

diferentes. La fracción mas pesada (en estado

liquido) baja por gravedad, mientras que la mas

liviana (en estado gaseoso) sube y se condensa en

las paredes superiores. De esta manera se logra un

buen intercambio entre ambas fases permitiendo la

efectiva transferencia de la parte gaseosa que

sube, e igualmente, de la parte liquida que pueda arrastrar la fracción gaseosa

que sube al líquido que baja.

Este mecanismo de transferencia se optimiza al maximizar la superficie de

contacto entre ambas fases. En las columnas de destilación esto se realiza

mediante dos tipos de estructuras mecánicas básicas: las estructuras de platos

o bandejas y las estructuras de empaques. Ambas estructuras pueden

encontrarse en una misma columna dependiendo de su diseño y utilización.

Estructura de platos: En la figura de la derecha se muestra un corte

longitudinal de un sector de una torre con

estructuras de platos de un solo bajante. Tal como

se aprecia, los bajantes de los platos van

alternándose a un lado y al otro de la torre

sucesivamente obligando al liquido a recorrer un

largo camino zigzagueante hacia la parte inferior de

la torre. El gas se desplaza en la dirección

contraria. Es decir hacia arriba, tal como lo indican

las flechas y pasa de un plato a la región del plato

pág. 3

inmediato superior a través de unos ductos ubicados en la parte activa de los

mismos donde se realiza el contacto entre el liquido que baja y el gas que

sube- Los ductos pueden ser simples orificios o estructuras compuestas por

partes rígidas o movibles cuya función es ayudar a impedir el desplazamiento

del liquido hacia abajo a través de los ductos, facilitando el transporte del gas

hacia arriba de modo de forzar el contacto gas- liquido sobre la parte activa del

plato. Existen platos con dos y tres bajantes cada uno, platos de chimeneas y

otros para funciones especiales.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN EL DESTILADOR DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

Balance de masa

Masa Alimentacion= Masa de Destilado+ Masa de Cola+ Masa de Calderín+ Masa de tuberías

Balance de volumen

XalimentacionMalimentacion=XdestiladoMdestilado+XcolaMcola+XcalderinMcalderin +XtuberíaMtubería

Donde:

X= Concentracion Alcohólico (%P/P)

Transformar:

Concentracion Alcoholica (%V/V) a Concentración Alcohólica

(%P/P)

%PP

=V DESOLUTO (ml)∗ρ DELSOLUTO

V DE LA SOLUCION (1000ml )∗ρ DELA SOLUCION

pág. 4

Balance de energía:

Qresistencia=Qnecesario de separación+Qcondensador+Qparedes

Qparedes=Qresistencia-Qnecesario de separación-Qcondensador

Qs= -(hdestMdest+ hcolaMcola+ hcalderinMcalderin -halimMalim)

Donde:

H: se obtienen por tablas de solución etanol-agua Qr:

Qr=Presistencia*Tresistencia

Qc:Qc=mCpH20∆T

m=ρ*VV=Caudal*Tiempo de condensador

EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPO:

Equipo de destilación

(Laboratorio de Operaciones Unitarias)

pág. 5

MATERIALES:

Alcohol 96°

Agua

Termómetros

Cronómetros

Alcoholímetro

Densimetro

pág. 6

PROCEDIMIENTOS

Medir 1 litro de alcohol 96° en un recipiente.

Medir los grados alcohólicos del alcohol.

Determinar la concentración teórica de alcohol.

Agregar 4 litros de agua al alcohol.

Medir los grados alcohólicos de la solución.

Medir la densidad y temperatura de la solución.

Agregar 2.4 L de solución al calderín.

Agregar los 2.6 L restantes de solución al tanque de alimentación.

Regular la potencia de la resistencia a 700 W

Regular el flujo de alimentación.

Encender la resistencia.

Controlar el tiempo de funcionamiento de resistencia hasta el final.

Regular el caudal de condensación.

Encender la bomba de condensación.

Controlar el tiempo de funcionamiento del condensador hasta el final.

Encender el flujo de alimentación.

Anotar las temperaturas (T1-T6) cada 5 minutos y obtener un promedio

de cada temperatura en estado constante.

Acabado el destilado, apagar el equipo.

Medir los grados alcohólicos, volumen, temperatura y densidad del

destilado

Medir los grados alcohólicos, volumen, temperatura y densidad de la

cola

Medir los grados alcohólicos, volumen, temperatura y densidad del

calderín a T inicial.

Anotar resultados.

Realizar cálculos mediante las fórmulas del marco teórico.

pág. 7

RESULTADOS

RESULTADOS TOMANDO EN CUENTA EL VOLUMEN DEL CALDERÍN.

DATOS:

Alimentacion:

o Volumen: 5 Litros

o Grados Alcohólicos (%V/V): 20

o Densidad relativa: 0.976

o Temperatura: 29°C

Destilado:

o Volumen: 0.71 Litros




Cola:





Calderín:





Resistencia:

o Tiempo de funcionamiento:120 minutos

o Potencia de resistencia: 700 W

Condensador:

o Tiempo de funcionamiento: 5942 segundos.

o Caudal: 34.1 L/h

o Temperatura 5: 26.74°C


o Cp agua: 4180 J/Kg°C

pág. 8

pág. 9

SOLUCION:

Hallando la densidad absoluta en cada punto:

Alimentacion Destilado Cola CalderínTemperatura (°C) 29 28 29 29Densidad relativa 0.976 0.85 0.988 0.995Densidad del agua

(kg/m³)996.02 996.31 996.02 996.02

Densidad absoluta(kg/m³)

972.11552 846.8635 984.06776 991.0399

Transformando los grados alcohólicos de %V/V a %P/P:

%PP



Alimentacion:


Por cada litro hay 200 ml de etanol

Por cada litro hay 800 ml de agua.

Densidad del etanol: 781.82 kg/m³

Densidad de la mezcla:972.11552 kg/m³

o Reemplazando en la ecuación:

%PP

=200ml∗781.82 kg

m3

(1000ml )∗972.11552 kgm3

=16.0849%

Destilado:





Densidad de la mezcla: 846.8635kg/m³


%PP

=850ml∗782.67 kg

m 3

(1000ml )∗846.8635 kgm 3

=78.5569%

Cola:


pág. 10




Densidad de la mezcla: 984.06776 kg/m³


%PP

=100ml∗781.82 kg

m 3

(1000ml )∗984.06776 kgm3

=7.94478%

Calderín:







%PP

=50ml∗781.82 kg

m 3

(1000ml )∗991.0399 kgm 3

=3.944%

Calculando la masa en cada punto:

m=ρ*V

Alimentacion Destilado Cola Calderín

Volumen (m³) 0.005 0.00071 0.001411 0.0024

Densidad absoluta

(kg/m³)972.11552 846.8635 984.06776 991.0399

Masa (kg) 4.8605776 0.60127 1.3885 2.3784

Aplicando balance de masa en el sistema:

Masa Alimentacion= Masa de Destilado+ Masa de Cola+ Masa de Calderín+ Masa de tuberías

Masa de tuberías=4.8605776-0.60127-1.3885-2.3784

Masa de tuberías= 0.4923 kg

Aplicando balance de volumen en el sistema:

XalimentacionMalimentacion=XdestiladoMdestilado+XcolaMcola+XcalderinMcalderin +XtuberíaMtubería

XtuberíaMtubería= XalimentacionMalimentacion – (XdestiladoMdestilado+XcolaMcola+XcalderinMcalderin)

pág. 11

Reemplazando datos:

XtuberíaMtubería=16.0849*4.8606-(78.5569*0.60127+7.9448*1.3885+3.944*2.378)

Xtubería=21.399% (P/P)

Aplicando balance de energía en el sistema:


Calculando:

Qresistencia:


Reemplazando datos:

Qr=700JS∗120 min∗60 segundos

1min

Qr=5040KJ

Qc:

Qc=mCpH20∆T

Hallando masa:

m=ρ*V

Hallando volumen:

V=Caudal*Tiempo de condensador

V=34.1

Lh∗1m3

1000 L∗1h

3600 seg∗5942 seg

V=0.056283944m3

Hallando densidad del agua:

T (° C )=T 5+T 62

T (° C )=26.74+22.442

=24.59° C

Densidad del agua a 24.59°C: 997.2325

Por lo tanto hallando masa:

m=997.2325 kg

m3∗0.05628m3

m=56.12817863kg

Reemplazando en la ecuación:

pág. 12

Qc=56.1282kg∗4180J

Kg °C∗(26.74−22.44 )° C

Qc=1008.8478KJ

halim:

2410 KJ/Kg

hdest:

1420 KJ/Kg

hcola:

2550 KJ/Kg

hcalderin:

2600 KJ/Kg

Solución:

Despejando Pérdida:


Qs= hdestMdest+ hcolaMcola+ hcalderinMcalderin -halimMalim

Se sabe que:


Reemplazando datos:

QS=−(1420 kJKg

∗4.8606kg+2550 kJkg

∗1.3885kg+2600 kJKg

∗2.38kg−2410 kJKg

∗4.8606kg)Qs= 1135.37 KJ (Debe abosrber calor)

Hallando Qparedes:

Qparedes=5040-1135.37-1008.8478 KJ

Qparedes= 2895.782 KJ=691.81 kCal

pág. 13

CUADRO RESUMEN:

VolumenInicial (L)

VolumenFinal (L)

DensidadAbsoluta

Masa(Kg)

°Alc(%V/V)

°Alc(%P/P)

Caudal(L/h)

Potencia(W)

Tiempo(seg)

H(KJ/Kg)

Calor(KJ)

Alimentacion 5 0 972.11552 4.8605 20 16.0849 0 0 0 2410 11713.81Destilado 0 0.71 846.8635 0.6013 85 78.5569 0 0 0 1420 853.85

Cola 0 1.411 984.06776 1.3885 10 7.94478 0 0 0 2550 3540.68Calderín 0 2.4 991.0399 2.3787 5 3.944 0 0 0 2600 6184.62

Resistencia 0 0 0 0 0 0 0 700 7200 0 5040Condensador 0 0 0 0 0 0 34.1 0 5942 0 1008.9

Pérdida entuberías

0 0 0 0.4923 0 21.399 0 0 0 0 2895.782

pág. 13

RESULTADOS SIN TOMAR EN CUENTA EL VOLUMEN DEL CALDERÍN.

DATOS:

Alimentacion:

o Volumen: 5 Litros




Destilado:





Cola:





Resistencia:

o Tiempo de funcionamiento:120 minutos

o Potencia de resistencia: 700 W

Condensador:

o Tiempo de funcionamiento: 5942 segundos.

o Caudal: 34.1 L/h



o Cp agua: 4180 J/Kg°C

SOLUCION:

Hallando la densidad absoluta en cada punto:

Alimentacion Destilado ColaTemperatura (°C) 29 28 29Densidad relativa 0.976 0.85 0.988Densidad del agua

(kg/m³)996.02 996.31 996.02

pág. 14


972.11552 846.8635 984.06776

Transformando los grados alcohólicos de %V/V a %P/P:

%PP



Alimentacion:





Densidad de la mezcla:972.11552 kg/m³


%PP

=200ml∗781.82 kg

m3

(1000ml )∗972.11552 kgm3

=16.0849%

Destilado:







%PP

=850ml∗782.67 kg

m 3

(1000ml )∗846.8635 kgm 3

=78.5569%

Cola:





Densidad de la mezcla: 984.06776 kg/m³


pág. 15

%PP

=100ml∗781.82 kg

m 3

(1000ml )∗984.06776 kgm3

=7.94478%

pág. 16

Calculando la masa en cada punto:

m=ρ*V

Alimentacion Destilado ColaVolumen (m³) 0.005 0.00071 0.001411


972.11552 846.8635 984.06776

Masa (kg) 4.8605776 0.60127 1.3885

Aplicando balance de masa en el sistema:

Masa Alimentacion= Masa de Destilado+ Masa de Cola+ Masa de Calderín

MCalderín=4.8605776-0.60127-1.3885

Mcalderín= 2.8708 kg

Aplicando balance de volumen en el sistema:

XalimentacionMalimentacion=XdestiladoMdestilado+XcolaMcola+XcalderinMcalderin

XcalderinMcalderin = XalimentacionMalimentacion – (XdestiladoMdestilado+XcolaMcola)

Reemplazando datos:

XcalderinMcalderin =16.0849*4.8606-(78.5569*0.60127+7.9448*1.3885)

Xcalderín= 6.9376 % (P/P)

Aplicando balance de energía en el sistema:


Calculando:

Qresistencia:


Reemplazando datos:

Qr=700JS∗120 min∗60 segundos

1min

Qr=5040KJ

Qc:

Qc=mCpH20∆T

Hallando masa:

m=ρ*V

Hallando volumen:

V=Caudal*Tiempo de condensador

pág. 17

V=34.1

Lh∗1m3

1000 L∗1h

3600 seg∗5942 seg

V=0.056283944m3

Hallando densidad del agua:

T (° C )=T 5+T 62

T (° C )=26.74+22.442

=24.59° C

Densidad del agua a 24.59°C: 997.2325

Por lo tanto hallando masa:

m=997.2325 kg

m3∗0.05628m3

m=56.12817863kg

Reemplazando en la ecuación:

Qc=56.1282kg∗4180J

Kg °C∗(26.74−22.44 )° C

Qc=1008.8478KJ

halim:

2410 KJ/Kg

hdest:

1420 KJ/Kg

hcola:

2550 KJ/Kg

hcalderin:

2580 KJ/Kg

Solución:

Despejando Pérdida:



pág. 18

Se sabe que:


Reemplazando datos:

QS=−(1420 kJKg

∗4.8606kg+2550 kJkg

∗1.3885kg+2580 kJKg

∗2.871kg−2410 kJKg

∗4.8606kg)Qs= -87.17 KJ

Hallando Qparedes:

Qparedes=5040-87.17-1008.847883 KJ

Qparedes= 4118.322 KJ=983.8783 kCal

pág. 19

CUADRO RESUMEN:

VolumenInicial (L)

VolumenFinal (L)

DensidadAbsoluta

Masa(Kg)

°Alc(%V/V)

°Alc(%P/P)

Caudal(L/h)

Potencia(W)

Tiempo(seg)

H(KJ/Kg)

Calor(KJ)

Alimentacion 5 0 972.11552 4.8605 20 16.0849 - - - 2410 11713.81Destilado - 0.71 846.8635 0.6013 85 78.5569 - - - 1420 853.85

Cola - 1.411 984.06776 1.3885 10 7.94478 - - - 2550 3540.68Resistencia - - - - - - - 700 7200 - 5040

Condensador - - - - - - 34.1 - 5942 - 1008.9Calderín final - - 0 2.8708 - 6.9376 - - - 2580 7406.664

Perdida en paredes

- - - - - - - - - - 4118.322

pág. 19

DISCUSIONSegún, John Perry (1974):

Factores Influyentes En El Proceso De Destilacion

Temperatura

El efecto de un aumento de ésta, suele disminuir las diferencias relativas

de las volatilidades entre los componentes de una mezcla dada; de igual

modo, un descenso de la temperatura de vaporización aumenta

corrientemente las diferencias de las volatilidades.

Presión de vapor

La presión o tensión del vapor de un líquido, es la presión de su valor a

una temperatura dada en la cual las fases de vapor y líquido de la

sustancia pueden existir en equilibrio. Si se mantiene constante la

temperatura y se comprime el vapor sobre el líquido puro, tendrá lugar

una condensación hasta que no se desprenda nada de vapor.

Recíprocamente, si se ensancha el espacio ocupado por el vapor, se

produce evaporación.

Según Himmelblau, David M:

Balance de materia

Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual,

rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-

energía, y no a la materia o energía por separado. Sin embargo, en

las condiciones que se dan en los procesos industriales objeto de los

PFC en la UGR, al no abordarse el caso de los reactores nucleares, no

existe transformación de materia en energía o viceversa.

Balance de energia

Los BE son normalmente algo más complejos que los de materia, debido

a que la energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica,

térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las

ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles en

equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que

fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores,

columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o

enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son

pág. 20

imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en

cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor

permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los

efectos térmicos de la reacción sean importantes.

Según Alexander Findlay, Bryan Philip Levitt (1979)

La destilación puede ser usada para una variedad de propósitos en la industria

de alimentos, como la remoción de la cafeína de los granos de café y la

producción de agua destilada. Sin embargo, por lejos, el uso más importante de

la destilación es la producción de alcohol puro para la elaboración de bebidas

espirituosas, como el whisky y la ginebra. Si bien el alcohol puede producirse

por fermentación natural, no se produce en las cantidades requeridas; la

destilación acelera el proceso sustancialmente. Por el contrario, la destilación

también es usada en la elaboración de bebidas no alcohólicas; el proceso

elimina el alcohol de la bebida

CONCLUSIONES Se pudo comprobar que siempre existe pérdida de energía en tuberías

en el proceso de destilación.

Se comprobó la importancia de usar un aislante para disminuir las

pérdidas de energía en tuberías.

Se verificó que el alcohol comercial no tiene 96° como debe ser.

Se logró comprobar que al destilar se aumenta los grados alcohólicos de

una solución.

Se puede mencionar que si uno quiere con mayor concentración de

alcohol se puede hacer refinado.

Se verificó que puede ocurrir perdidas de masa en tuberías en el

proceso de destilación, lo ideal es que no suceda pero en la práctica

sucedió lo contrario.

Se verificó la importancia de medir el volumen al final del destilado en el

calderín, ya que influye en la pérdida de masa.

pág. 21

BIBLIOGRAFIA

John Perry (1974): Manual del Ingeniero Químico Tomo 5. Editorial

Hispanoamericana, México

Himmelblau, David M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería

Química

Según Alexander Findlay, Bryan Philip Levitt (1979). Química física

práctica de Findlay

pág. 22

ANEXOTABLA DE SOLUCION ETANOL – AGUA

pág. 23

Destilacion

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