Destilacion A Presion Reducida

Separación de Acetato de Isopropilo por medio de Destilación a Presión Reducida

Erika Johanna Arévalo Torres

Departamento de Biología

Facultad de Ciencias

Universidad Nacional de Colombia

ejarevalot@unal.edu.co

Juan David Tibocha Bonilla

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional de Colombia

jdtibochab@unal.edu.co

Grupo 12

Introducción

A menudo hay que separar soluciones con componentes cuyo punto de ebullición es lo suficientemente alto para conllevar descomposición, incluso a temperaturas menores de este. En estos casos, disminuir la presión reinante en el equipo de destilación se convierte en una alternativa viable.

La ebullición se define como el cambio de fase de líquido saturado a vapor saturado dada a una presión determinada, que fija la temperatura a la que se da el proceso. Este cambio de fase ocurre cuando la presión ejercida por el vapor en equilibrio termodinámico con el líquido iguala la presión reinante o circundante, puesto que las moléculas en el líquido adquieren suficiente energía cinética para escapar a la fase de vapor. Dado que la presión de vapor a su vez, es una función creciente de la temperatura, disminuir la presión total implica una demanda menor de presión de vapor para el proceso y a su vez de temperatura. Lo anterior permite separar las soluciones mencionadas a temperaturas bastante menores a las de ebullición normal, permitiendo trabajar sin que se descompongan los componentes.

Dependencia de la presión de vapor con la temperatura

Para ilustrar sobre esta dependencia se parte de la suposición de un equilibrio de fases entre el líquido y el vapor en contacto, para una sustancia pura. El equilibrio está determinado por la invariabilidad de las propiedades termodinámicas en el tiempo, por un mínimo en la energía libre de Gibbs (dG=0) y por la igualdad en las G (o potenciales químicos μ) de la fase líquida y de vapor.

Partiendo de la definición de energía libre de Gibbs intensiva (Smith, Van Ness, & Abbott, p. 221)

dg=vdP^sat-sdT

Se obtiene que para las fases líquida (l) y de vapor (v)

v_v dP^sat-s_v dT=v_l dP^sat-s_l dT

Reorganizando se obtiene:

(dP^sat)/dT=Δs/Δv

Teniendo la definición integrada de entalpía para un cambio isotérmico e isobárico como lo es la ebullición

Δh^vap=TΔs

Sustituyendo

(dP^sat)/dT=(Δh^vap)/TΔv

Tomando en cuenta que, para toda sustancia

Pv=zRT

Se obtiene que

(dP^sat)/dT=(Δh^vap)/(RT^2 Δz〖P^sat〗^(-1) )

Reescrita, se llega a la ecuación de Clapeyron

(d 〖(ln〗⁡〖 P^sat)〗)/(d(1/T))=-(Δh^vap)/(RΔz )

Además, teniendo en cuenta que el volumen específico del vapor es mucho mayor al del líquido y que el vapor es un gas ideal debido a las bajas presiones de trabajo

Δv=v_v⇒Δz=1

De lo anterior se obtiene la ecuación de Clausius-Clapeyron

(d 〖(ln〗⁡〖 P^sat)〗)/(d(1/T))=-(Δh^vap)/(R )

El valor de Δh^vap es siempre positivo pues la ebullición es un proceso endotérmico, por lo que se concluye que la presión de saturación, o de vapor, es una función decreciente de 1/T, o dicho de otra forma, creciente de T.

Si se asume que Δh^vap es independiente de la temperatura y se integra, se obtienen resultados alejados de los reales. Pero, Antoine agrega una nueva constante C para crear un modelo que se asemeja con poco error a la realidad.

ln⁡〖P^sat 〗=A-B/(T+C)

Otra forma de visualizar esta dependencia es viendo en el diagrama de fases de la sustancia a analizar, la curva que separa las zonas de líquido y vapor. Siempre se representa como una curva ascendente. Ver la figura 1. Para el ejemplo del acetato de isopropilo.

Otros modelos experimentales han sido propuestos y pueden verse en el texto Properties of Gases and Liquids (Reid, Prausnitz, & Poling, p. 657).

Acetato de Isopropilo

El acetato de isopropilo (IA) es un éster producto de la esterificación del ácido acético y el isopropanol. Es un líquido a condiciones normales, incoloro, con un olor característico frutal (Dow, 2008).

Figura 1. Acetato de Isopropilo

Es además un solvente con un amplio rango de usos en la industria manufacturera que es miscible en una amplia variedad de solventes orgánicos y moderadamente en el agua.

El IA se descompone en contacto con un metal y aire produciendo ácido acético e isopropanol. Reacciona violentamente con agentes oxidantes y ataca amplio rango de plásticos (International Training Center, 1993).

Además, se descompone a temperaturas entre 80 y 85°C en isopropanol y 2-cloropropano (Tsui, Liu, & Sun, s.f.), lo cual hace ineficiente su separación por destilación a presión atmosférica, pues su punto de ebullición normal es 88.9°C y en Bogotá 79.6°C. Esta última, así no este dentro del rango, está demasiado cerca de su temperatura de descomposición para trabajar en el laboratorio.

Algunas de las Constantes físicas del acetato de isopropilo se ilustran a continuación (SIAFA, 2003):

Punto de Ebullición: 89°C

Punto de Fusión: -73°C

Solubilidad en agua: Moderada, 4.3g/100mL

Índice de refracción: 1.3772 (Química Delta, s.f.)

Densidad relativa al agua: δ_20^20= 0.873 (Química Delta, s.f.)

Presión de vapor del Acetato de Isopropilo

Para modelar el comportamiento de la presión de vapor con la temperatura del acetato de isopropilo, se usó el modelo número 3 de Properties of Gases and Liquids. Los resultados se muestran en la figura 1.

Figura 2. Presión de vapor del Acetato de Isopropilo contra la Temperatura

Lectura de presiones manométricas y de vacío

La forma más común de medir presiones tanto en procesos industriales como en laboratorios, es mediante unos instrumentos conocidos como manómetros. Existen varios tipos de manómetros dependiendo del líquido que contienen y de su forma. El líquido manométrico más utilizado es el mercurio debido a su alta densidad, lo cual permite lecturas de diferencias de presión bastante altas con cambios de altura relativamente pequeños. Además, los manómetros son por lo general, en U. Como en este trabajo experimental se trabajan presiones menores a la atmosférica,

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