destilaciÓn

Manual de Operación de Ingenios Azucareros

H., Debernardi D.

DESTILACIÓN – PRODUCCIÓN DE ETANOL


H., Debernardi D.

Proceso de Destilación de Alcohol.

La destilación es un principio basado en diferencias entre los puntos de fusión del agua que es de1000C y el del etanol o alcoholde 78.30C. Si el alcohol contenido en un depósito se lleva a una temperatura superior a 78.30C, pero sin que éste alcance los 1000C, el alcohol se vaporizará y separará del agua. Después de esta operación se vuelve a calentar y a condensara para obtener alcohol de mayor concentración.

Es posible realizar la operación utilizando un proceso inverso, este resulta más complicado y consiste en enfriar el alcohol contenido en agua, dado que el agua se congela a 0 0C y el etanol o alcohol tiene un puto de congelación de -114 0C.

Luego entonces la destilación es: “proceso unitario que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y someterlos a sublimación mediante enfriamiento del vapor, para recuperar sus componentes en forma líquida mediante la condensación de los mismos”.

Clasificación de proceso de destilación.

1. Destilación simple.2. Destilación por carga.3. Destilación por arrastre de vapor.4. Destilación reducida al vacío.5. Destilación extractiva.6. Destilación azeotrópica.7. Destilación súbita. 8. Destilación fraccionada.

1. Destilación simple.

La destilación simple se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos a destilar contiene únicamente una sustancia volátil, o bien, cuando ésta contiene más de una sustancia volátil, pero el punto de ebullición del líquido más volátil difiere del punto de ebullición de los otros componentes en, al menos, 80 0C. El resultado final es la destilación de un solo producto, ya sea:

1.1.1. porque en la mezcla inicial sólo había un componente, o

1.1.2. porque en la mezcla inicial uno de los componentes era mucho más volátil que el resto.

1.2. Destilación simple a presión atmosférica.


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1.2.1. La destilación a presión atmosférica es aquella que se realiza en condiciones normales de operación.

1.2.2. Se utiliza fundamentalmente cuando la temperatura del punto de ebullición se encuentra por debajo de la temperatura de descomposición química del producto.

2. Destilación por carga.A esta operación también se le llama destilación“por lotes o batch”, es una operación unitaria utilizada en la industria química para separar pequeños volúmenes de mezclas y obtener productos de alto valor agregado y es un ejemplo de operación unitaria cuyo funcionamiento tiene lugar en estado no estacionario.

2.1.1. La Destilación Diferencial es un método de destilación que se efectúa normalmente en los laboratorios cuando se trabaja sin reflujo, llevando continuamente los vapores producidos hasta un condensador.

2.1.2. La operación se realiza calentando la mezcla inicial hasta su temperatura de ebullición y los vapores se eliminan de manera continua y a medida que éstos se van formando, sin condensación parcial, o sea, sin que el condensado refluya al aparato.

3. Destilación por arrastre de vapor.

La destilación por arrastre de vapor es una técnica de destilaciónque permite la separación de sustancias insolubles en H2O yligeramente volátiles de otros productos no volátiles.

Esta operación es útil para componente que cumplen las siguientes condiciones:

3.1.1. Componentes volátiles.

3.1.2. Componentes no-miscibles en agua.

3.1.3. Operaciones a baja presión de vapor.

3.1.4. Para componentes con puntos de ebullición altos, mayores que 100 0C.

La destilación por arrastre con vapor seemplea con frecuencia para separar aceitesesenciales de tejidos vegetales.


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Los aceitesesenciales son productos naturales aplicados endiferentes industrias:Industria cosmética y farmacéutica: perfumes,principios activos, etc.

Industria de alimentos y derivadas:potenciadores del sabor para todo tipo debebidas, helados, galletas, golosinas,productos lácteos, etc.

4. Destilación reducida al vacío.Para llevar a cabo esta operación es necesario un “sistema de vacío”

4.1.1. La destilación a presión reducida o al vacío consiste en disminuir la presión en el montaje de destilación con la finalidad de provocar una disminución del punto de ebullición del componente que se pretende destilar.

4.1.2. Se utiliza fundamentalmente cuando el punto de ebullición del compuesto a destilar es superior a la temperatura de descomposición química del producto.

5. Destilación extractiva.Proceso de destilacióncaracterizadopor elhecho de quelas posiciones relativas depuntos de ebullicióndelos componentesestán influenciadas porla selección deun disolvente apropiado.La destilación extractiva se usa en la industria petroquímica y química para la separación de sistemas de puntos de ebullición cercanos, críticos, o azeotrópicos, para los cuales la destilación sencilla con una única alimentación es o demasiada cara o imposible.La Figura 1, muestra el esquema de un proceso de destilación extractiva para la separación de un sistema binario. La configuración consiste en una columna extractiva de doble alimentación y en una columna de recuperación de disolvente. Los componentes A y B pueden tener una volatilidad relativa baja o formar un zoótropo de mínimo punto de ebullición.

5.1.1. Inicialmente se encuentran las condiciones de operación de la columna extractiva por medio de análisis de sensibilidad; se determina el número de etapas y la etapa de alimentación azeotrópica; posteriormente se determina el efecto de la etapa de alimento de glicerol, relación molar de reflujo (RR), cantidad mínima de glicerol por medio de la relación molar solvente/alimento (S/F) y la temperatura de entrada de solvente sobre la composición de destilado y el gasto energético del re-hervidor.


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Figura 1. Destilación extractiva.

6. Destilación azeotrópica.

La destilación azeotrópica es una técnica usada para romper un azeótropo en la destilación. La operación azeotrópica más conocida más comunes es la de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.

Una vez se encuentra en una concentración de 95-5% etanol-agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95-5% etanol-agua, por lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95-5% debe romperse para lograr una mayor concentración.

El proceso de la destilación consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios


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componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles.

En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos. La Figura 2, muestra un esquema de destilación azeotrópica.

Figura 2. Esquema de destilación azeotrópica.

7. Destilación súbita.

A esta operación se le conoce como destilación súbita o “flash” es una operación es una operación de separación una únicaetapa. En ella, una alimentación líquida se bombea a través de un cambiador de calor hastaalcanzar una temperatura determinada. A continuación se descomprime bruscamentehaciéndola pasar a través de una válvula de expansión, lo que origina la vaporización parcialdel líquido tras lo cual la mezcla se introduce en un recipiente de mayor volumen con elobjeto de separar la fase condensada del vapor.

El recipiente puede ser una cámara simple oestar dotado de relleno u otro dispositivo para la eliminación de vapores. El líquido y elvapor que se separan


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estánen equilibrio, por lo que esta separación se conocetambién como destilación de equilibrio.

La destilación súbita es un tipo de separación que se utiliza con mucha frecuencia en lapráctica industrial, especialmente en el refino de petróleo y la industria petroquímica. Nosólo se utiliza como separación en sí misma, sino también como separación previa a otrasmás elaboradas con el fin de reducir la carga de los equipos.

8. Destilación fraccionada.

La destilación fraccionaria o fraccionada es un proceso para una soluciónhomogénea, conformada por dos sustancias con un punto de ebullición muy cercano el uno del otro. De esta manera se pueden separar los coloides del solvente.Por ejemplo se pueden obtener agua destilada y componentes minerales a partir del agua, sometiéndola a un proceso calórico y másico, entre los diferenteslíquidos y vapores.

Se diferencia de la destilación simple, ya que utiliza una columna de fraccionamiento, permitiendo mayor intercambio entre los vapores que ascienden y el líquido condensado que a su vez desciende, mediante el uso de distintas placas

.


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DETERMINACION DEL NÚMERO DE PLATOS DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

1. Destilación.Operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.

2. Columnas de platosEn las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido.

Al plato se le exige que sea capaz de tratar las cantidades adecuadas de líquido y vapor sin una inundación o un arrastre excesivos, que sea estable en su funcionamiento y resulte relativamente simple en cuanto a instalación y mantenimiento. También es importante conseguir que la caída de presión en el plato sea mínima.

El número de platos necesarios para efectuar una separación dada vendrá determinado por distintos factores, que se analizarán a continuación. Por lo general cuanto mayor sea el número de platos de la torre, mayor será la separación.

3. Clasificación de platos de destilación.3.1. Platos de campanas de barboteo.Es el plato más ampliamente

utilizado, las campanas están colocadas sobre unos conductos de subida.

3.2. Platos perforados. Su construcción sencilla, requieren orificios en la bandeja.

3.3. Platos de válvulas. Son platos intermedios entre los de campanas de barboteo y platos perforados. Su construcción es similar a los de campanas, cada Orifico presenta una válvula que es accionada por el paso del vapor.


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DESTILACIÓN II

CÁLCULO DEL NÚMERO DE PLATOS TEÓRICOS

Torre de destilación


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DESARROLLO DEL CÁLCULO.

1. Datos del contenido de la solución Etanol- Agua a Destilar:

ETANOL.

Alcohol Etílico: > 95,4% Densidad 20ºC: 0.8086 Acidez como Ac. Acético 14.57 ppm Fusel (alcoholes superiores) 49.0 ppm Aldehídos como Acetaldehído 15.11ppm

FORMULA: C2H6O, CH3CH2OH.PESO MOLECULAR: 46.07 g·mol-1.COMPOSICION: C: 52.24 %; H: 13.13 % y O: 34.73 %.

Solución Etanol-Agua.

10 litros de etanol (10 l) ·0.8086 kg · l-1 = 8.086 kg.20 litros de agua (20 l)· 1.000 kg · l-1 = 20.000 kg.F = Solución: 8.086 kg + 20.000 kg = 28.086 kg. = [28.086 kg · (60 min)] ·20 min-1.

F= 84.26 kg · h-1

Uso del Método Mccabe thiele.


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2. Balance de materia.

F · XF = D · XD + W · Xw, entonces D= F – W, D = 84.26 kg · h-1 – W.

84.26 kg · h-1· 0.3 = D · 0.95 + W · 0.25

25.28= 0.95 (84.26 – W) + W · 0.25

25.28 = 80.05 – 0.95 W + 0.25 W

W (0.95-0.25) = 80.05 - 25.28

W = (0.95-0.25) = 80.05 - 25.28

W = 78.24 kg · h-1.

D = F – W, D = 84.26 kg · h-1 – 78.24 kg · h-1.

D= 6.02 kg · h-1.

Cálculo para la solución [Agua : Etanol].


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q= L−LF

3010

=3.0

L=L+3.0 F

q= L+3.0F−LF

=3.00, si q > 1, se considera que la mezcla está sub-

enfriada.

m= qq−1

= 3.03−1

=32=1.5= Y

X

M A=MC2H 5OH=46.07 g·mol−1

MB=M H 2O=18 g·mol−1

X F=

X F

M A

0.3M A

+ 0.7MB

=

0.346.070.346.07

+0.718

=0.165kg−molC2H 5OH

kg−molmezla

X D=

X D

MA

0.95M A

+0.05M B

=

0.9546.07

0.9546.07

+ 0.0518


kg−molmezla

XW=

XW

M A

0.25M A

+ 0.75MB

=

0.2546.07

0.2546.07

+ 0.7518


kg−molmezla

.


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Trazo de puntos para obtener el Número de PlatosMétodo de Mc cabe thiele


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Grafico basado en el Método de Mc cabe thiele

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

0.17

0.389100000000001

0.437500000000001

0.50890.548

0.5830000000000010.612200000000001

0.6564000000000010.684100000000001

0.7385

0.7815

0.895400000000001

1

LIQUIDO , X (FRACCION MOLAR)

VAPO

R Y

, (FR

ACCI

ON

MO

LAR)

XF

XD

XW

Ymin = 0.445


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Y min=X D

Rmin+1→Rmin=

X D

Y min

−1=0.8810.445

−1=Rmin=0.98

Cálculo del reflujo de operación. Método de Mc cabe thiele

Si asumimos que el reflujo constante y sí Xn = 0, entonces:

R=m∙ Rmin=1.5 ∙0.98=1.47

Y n+1=R

R+1Xn+

X D

R+1= 0.8811.47+1

→Y n+1=0.36


H., Debernardi D.

Grafico basado en el Método de Mc cabe thieleNúmero de Platos Teóricos

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

LIQUIDO , X (FRACCION MOLAR)

VAPO

R Y

, (FR

ACCI

ON

MO

LAR)

X w X F X D

1

5

10

14


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La grafica nos muestra 14 platos iguales + 1 Hervidor = 15

Eficiencia: E=Númerode platos teoricosNumerode platos reales

∙100=1415

=93.3%

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