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• Yess Carrasco Maldonado

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Laboratorio de Destilación y Extracción

Práctica: Arrastre por vapor Grupo: 4PV81 Fecha de entrega: 09/11/2017

ÍNDICE

Objetivos……………………………………………………………………… ………………………………….2 Marco Teórico……………………………………………………………………… …………………………..2 Diagrama del equipo………………………………………………………………………… ……………..4 Procedimiento de operación…………………………………………………………………… ……….5 Secuencia de cálculos..……………………………………………………………………… ……………..6 Resultados…………………………………………………………………… ……………………………….…9

Conclusiones y observaciones……………………………………………………………… ………..10 Bibliografía…………………………………………………………………… ………………………………..11

OBJETIVOS Conceptual. Desarrollar los conocimientos para la operación de un sistema intermitente para llevar a cabo una destilación por arrastre con vapor de agua, así como determinar las variables que intervienen en ella y comparar de los resultados obtenidos mediante la práctica realizada y los cálculos teóricos realizados con las ecuaciones correspondientes, además de determinar la eficiencia de vaporización en la destilación. Procedimental. Desarrollar un check-list de los pasos a seguir, su secuencia y su lógica para la operación correcta del equipo instalado en el laboratorio para esta práctica. Actitudinal. Conducirse durante la realización de la práctica exhibiendo una disciplina profesional. Realizar una investigación en las referencias disponibles sobre las diferentes aplicaciones del proceso de destilación.

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MARCO TEÓRICO La destilación intermitente por arrastre con vapor de agua, es una destilación simple donde la vaporización de la mezcla se alcanza, burbujeando vapor directamente a través de ella. En los procesos industriales, tiene especial interés, cuando se desea separar sustancias a una temperatura más baja que la del punto de ebullición de la mezcla debido a que hay un descenso en la presión parcial del componente volátil, por la introducción de vapor directo. El arrastre con vapor, incluye no solo vapor de agua, si no cualquier otro tipo de gas inerte como: nitrógeno, bióxido de carbono, gases producto de una combustión (gas de chimenea), etc., y en todos estos casos el modelo matemático obtenido es valioso. Debido a que el vapor de agua es ampliamente usado como energía de bajo costo, éste resulta ser el más adecuado en muchos casos. Es condición en el arrastre con vapor de agua, que el producto a obtener, bien que éste sea destilado o residuo, deberá ser completamente inmiscible con el agua. Existen dos tipos de destilación intermitente por arrastre con vapor de agua. -Destilación de un componente volátil en solución con un líquido no volátil. En este caso, el producto puede ser el destilado, el residuo o ambos. -Destilación de un componente volátil a partir de una cantidad despreciable de un compuesto no volátil disuelto. En este caso el producto es el destilado y se permite la condensación de vapor directo.

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PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN Se verificó que el destilador, condensador y tanque de producto destilado se encontraran vacíos.

Se cerraron todas las válvulas del equipo, a excepción la de venteo del condensador.

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Se agregaron 0.75 L de hexano al tanque de alimentación, obteniendo un total de 19.084 L de mezcla.

Se suministró vapor de calentamiento indirecto, controlando la presión en 1 kg/cm2, registrando la temperatura TI-203.

Se suministró vapor de calentamiento indirecto, controlando la presión en 1 kg/cm2, registrando la temperatura TI-203.

Se suministró vapor de calentamiento indirecto, controlando la presión en 1 kg/cm2, registrando la temperatura TI-203.

Se midió la cantidad de condensado de vapor de calentamiento y de destilado por calentamiento indirecto.

Se suministró vapor de arrastre por 15 min y se midió el destilado y condensado.

SECUENCIA DE CÁLCULOS Tabla de datos experimentales Variable Volumen de hexano inicial Volumen de aceite inicial Volumen total Volumen de hexano precalentamiento Volumen hexano arrastre Volumen de vapor

valor 0.75 L 19.084 L 19.834 L 0.14 L 0.6 L 1.08 L 5

Temperatura externa (t0) Temperatura de precalentamiento Temperatura de arrastre Presión de vapor

20°C 67 °C 81 °C 1 Kg/cm2

Tabla de datos bibliográficos Variable PM aceite PM hexano PM agua Cp hexano Cp aceite Densidad hexano Densidad aceite Entalpia de vaporización hexano a Pabs Entalpia de vaporización agua a Pabs

valor 282 Kg/Kmol 86 Kg/Kmol 18 Kg/Kmol 46.67 Kcal/Kg°C 112.8 Kcal/Kg°C 0.675 Kg/L 0.9121 Kg/L 6895 Kcal/Kmol 9517.2045 kcal/Kmol

1. Calculo de las fracciones molares iniciales; A (hexano), B (aceite): Presión absoluta= presión manométrica + presión atmosférica Presión absoluta= 1 Kg/cm2 + 0.7953 Kg/cm2= 1.7953 Kg/cm2

Inicialmente se determina la masa del hexano, debido a que se tiene el dato experimental del volumen y el dato bibliográfico de su densidad. Masa inicial de hexano: 𝑤𝐶6 = 0.750 𝐿 ∗ 0.675

𝐾𝑔 = 0.506 𝐾𝑔 𝑙

Moles iniciales de hexano: 𝐿𝐴0 =

0.506 𝐾𝑔 = 0.00587 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐾𝑔 86 𝐾𝑚𝑜𝑙

De forma análoga para el aceite: 𝑤𝑎𝑐 = 19.084 𝐿 ∗ 0.9124 6

𝐾𝑔 = 17.4065 𝐾𝑔 𝑙

17.4065 𝐾𝑔 = 0.0617 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐾𝑔 282 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.0617 𝐾𝑚𝑜𝑙 + 0.00587 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.6757 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝐿𝐵0 = 𝐿0 = 𝐿𝐵0 + 𝐿𝐴0 Fracciones molares:

𝐿𝐴0 0.00587 𝐾𝑚𝑜𝑙 = = 0.0868 𝐿0 0.6757 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑋𝐵 = 1 − 𝑋𝐴 = 1 − 0.0868 = 0.9131

𝑋𝐴 =

2. Calculo del calor especifico promedio de la mezcla: 𝐶𝑝𝑚 = 𝑋𝐴 ∗ 𝐶𝑝𝐴 + 𝑋𝐵 ∗ 𝐶𝑝𝐵 𝐶𝑝𝑚 = 0.0868 ∗ 46.67

Kcal Kcal Kcal + 0.9131 ∗ 112.8 = 107.052 Kg°C Kg°C Kg°C

3. Calculo de los moles de hexano en el precalentamiento:

𝐿𝐴𝑖 =

0.14 𝐿 ∗ 0.675 86

𝑀𝑣𝑖 =

0.0675 𝐾𝑚𝑜𝑙 ∗ 107.052 𝑀𝑣𝑖 =

𝐾𝑔 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑔 𝑙 = 0.001091 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝐿0 ∗ 𝐶𝑝𝑚 ∗ (𝑡1 − 𝑡0)°𝐶 + 𝐿𝐴𝑖 ∗ 𝐴

𝑣𝑖

Kcal kcal (67 − 20)°𝐶 + 0.001091 𝑘𝑚𝑜𝑙 ∗ 6895 Kg°C Kmol = 0.0352 𝐾𝑚𝑜𝑙 kcal 9517.2045 Kmol

4. Calculo de las pérdidas de calor por calentamiento indirecto: 𝑄𝑝 = [(𝑀𝑣𝑖 )𝑝 − (𝑀𝑣𝑖 ) 𝑇 ]𝑣𝑖

(𝑀𝑣𝑖 )𝑝 =

3.26 𝐿 ∗ 0.997 18

𝑘𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑔 𝐿 = 0.1805 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑄𝑝 = [0.1805 𝐾𝑚𝑜𝑙 − 0.0352 𝑘𝑚𝑜𝑙] ∗ 9517.2045

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kcal = 1382.8614 𝑘𝑐𝑎𝑙 Kmol

5. Calculo de la eficiencia de vaporización:

𝑃 ∗ (𝐿𝐴𝑎 + 𝐿𝐵 ∗ 2.3log( 𝐿𝐴1 ) 𝐿𝐴𝑅 𝐸𝑉 = 0 (𝑀𝑣𝑎 + 𝐿𝐴𝑎 )𝑃𝐴 Para determinar 𝑃𝐴0 se emplea la ecuación de Antoine: 0

log 𝑃𝐴 = 4.0013 −

1170.87 224.317 + 𝑇

1170.87

𝑃𝐴0 = 104.0013−224.317+81°𝐶 =1.46 𝑏𝑎𝑟

𝑃𝐴0 =

𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑐𝑚2 1.46 𝑏𝑎𝑟 ∗ = 1.48 1.013 𝑏𝑎𝑟 𝑐𝑚2 1.033

𝐿𝐴1 = 𝐿𝐴0 − 𝐿𝐴𝑖 = 0.00587 − 0.001091 = 0.004779 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐿𝐴𝑎 =

0.6 𝐿 ∗ 0.675 86

𝐾𝑔 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑔 𝑙 = 0.0047 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐿𝐴𝑅 = 𝐿𝐴1 − 𝐿𝐴𝑎 = 0.004779 − 0.0047 = 0.00008 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑣𝑎 =

1.084 𝐿 ∗ 0.997 18

1.7953 𝐸𝑉 =

𝑘𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑔 𝐿 = 0.06004 𝑘𝑚𝑜𝑙

Kg ∗ (0.0047𝑘𝑚𝑜𝑙 + 0.0617 𝐾𝑚𝑜𝑙 ∗ 2.3log(0.004779 ) cm2 0.00008 = 4.8256 𝑘𝑔 (0.06004 + 0.0047)𝑘𝑚𝑜𝑙 ∗ 1.48 𝑐𝑚2

TABLA DE RESULTADOS Variable Fracción molar de hexano inicial (𝑿𝑨 ) Fracción molar de aceite inicial (𝑿𝑩 )

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valor 0.0868 0.9131

Moles de hexano obtenidos por calentamiento indirecto (𝑴𝒗𝒊 ) Pérdidas de calor por calentamiento indirecto (𝑸𝒑 ) Eficiencia de vaporización (𝑬𝑽 )

0.0352 𝐾𝑚𝑜𝑙 1382.8614 𝑘𝑐𝑎𝑙 4.8256

OBSERVACIONES Durante el calentamiento indirecto se pudo observar que la transferencia de calor es lenta en la caldereta, se puede inferir que se requiere mantenimiento, además de que algunos termopares no sirven o no están funcionando de forma eficiente.

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CONCLUSIONES Se adquirió el conocimiento necesario para la operación de un sistema de destilación intermitente por arrastre con vapor de agua, esto permitió identificar los elementos más importantes para una óptima operación, de entre los cuales destaca la calidad del vapor de caldera, es decir, su presión y temperatura. Se determinó la eficiencia de vaporización de la destilación intermitente por arrastre con vapor de agua y se observa un valor considerablemente alto (4.82), se esperaría un valor de entre 0.6 y 0.95; sin embargo este valor en la eficiencia se puede atribuir a que se consideró que el sistema solo tenía el volumen de hexano agregado inicialmente (0.75 L) y dado que el sistema tenía más hexano, se experimentó una evaporación mayor. Las pérdidas de calor por calentamiento indirecto son moderadas. Podrían disminuir si se llevara a cabo mantenimiento correctivo a los equipos de transferencia de calor del sistema.

BIBLIOGRAFÍA  GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y operaciones Unitarias. Compañía. Editorial Continental S.A. CECSA. Tercera Edición. 1999.  TREYBAL, R. E. Operaciones de Transferencia de Masa. McGraw Hill. Segunda Edición.1991.  McCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Cuarta Edición. 1999.  SMITH, J.; VAN NESS, H.; ABBOTT, M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Quinta edición. McGraw-Hill. 1997.  Perry J.M. “Chemical Engineers Handbook” Mc. Graw Hill, Book Co. 4th. Edition (1970). 10

 Judson King., “Procesos de separación” Ediciones Repla, S.A. México, (1988).

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