INVESTIGACIÓN DE MEZCLAS AZEOTRÓPICAS EN LA INDUSTRIA

Los azeótropos son mezclas de dos o más componentes, cuyas proporciones son tales que el vapor producido por evaporación parcial tienen la misma composición que el líquido. Cuando en una mezcla se encuentra en el punto del azeótropo (mezcla azeotrópica), dicha mezcla no puede ser destilable o separada en sus componentes.

Una mezcla alcohol-agua, no puede separarse más de 95.6% en alcohol y 4.4% en agua, proporciones en las cuales se encuentra el azeótropo.

Los diagramas de fases de mezclas de líquidos volátiles se caracterizan porque el líquido tiene siempre diferente composición que el vapor, con excepción del punto correspondiente a la mezcla azeotrópica, lo cual permite explicar el procedimiento denominado destilación, con el objetivo de separar los componentes.

La destilación fraccionada es un proceso de vaporización y condensación sucesivas, mediante el cual se logra la separación de los componentes de una mezcla líquida.

Se diferencia de la destilación simple en que esta tiene un solo paso, lo que permite la separación de mezclas de temperatura de ebullición muy diferentes (los componentes).

La destilación fraccionada se lleva a cabo en las llamadas columnas de fraccionamiento.

Separación de la Mezcla Azeotrópica Acetona-Metanol con Cloruro de Litio

Resumen

Se ha determinado el efecto que tiene el cloruro de litio usado como agente extractivo para separar la mezcla azeotrópica acetona-metanol. La metodología establece la preparación de dos mezclas con diferentes concentraciones másicas de acetona-metanol, por debajo del punto azeotrópico: 85-15% y 75- 25%. En cada destilación realizada, se dosificó cloruro de litio a diferentes concentraciones para determinar el efecto de éste sobre la concentración de las mezclas y el punto azeotrópico. Los resultados determinan que a una concentración de 2.3 moles de cloruro de litio por kilogramo de solución, se obtiene el mayor efecto sobre el punto azeotrópico, considerando la manipulación del reflujo y la concentración de la sal. Se concluyó que es posible separar esta mezcla azeotrópica usando cloruro de litio como agente extractivo.

Las sales tienen la propiedad de alterar las volatilidades de los componentes de una mezcla y afectar el equilibrio líquido-vapor. El primero en investigar estos efectos sobre la mezcla acetona-metanol fue Belck (1951), quien reporta una concentración de 2.3 moles de cloruro de calcio por litro de solución. Estudios posteriores realizados por Proszt y Kollar (1958), sobre la misma mezcla utilizando cloruro de litio y calcio, determinaron que el máximo efecto se lograba a una concentración de un mol de sal por litro de solución. Sin embargo, mediante extrapolación de los datos, se determinó que era posible romper el azeótropo. En este trabajo se determina el efecto del cloruro de litio y la manipulación del reflujo sobre la mezcla azeotrópica acetona-metanol (Anguebes, 2003).

Fundamentos

Para la mezcla en estudio, se han presentado otras técnicas alternativas, las cuales dan fundamento a este trabajo de investigación:

Variación de la presión. La presión tiene efecto sobre el punto azeotrópico. Horwitz (1997) y Timothy (1997), reportan un método que consiste en operar un tren de dos columnas a diferentes presiones, esto tiene como efecto el desplazamiento del punto azeotrópico a regiones en la curva de equilibrio donde la acetona se enriquece en la fase vapor.

Investigaciones realizadas utilizando solventes para eliminar el metanol son reportadas por: Knapp y Doherty (1992), describen que a pre-siones mayores a cuatro atmósferas y usando MEK como agente extractivo el azeótropo se elimina. Popken y Gmehling (2004), reportan efectos similares utilizando cloroformo como medio extractivo, éste logra romper el azeótropo.

Membranas. La permeabilidad de varias mezclas en membranas construidas con diferentes materiales y configuraciones, son descritas por Fleming (1992), quien establece específicamente que para la purificación de la mezcla azeotrópica acetona-metanol, se debe de utilizar la membrana fabricada con poli-vinil-acetato (PVA).

Destilación extractiva con sales. Estudios realizados por Ohe et al. (1969) que analizó el efecto de las sales iónicas: KI, NaCl, LiCl, MgCl2, CaCl2, CaBr2, sobre el equilibrio líquido-vapor de la mezcla acetona-metanol, determinan que el punto azeotrópico se desplaza a una composición máxima de 88.6% en mol de acetona con la última sal.

Otros estudios realizados del efecto salino sobre el equilibrio líquido-vapor para esta mezcla, tienen la finalidad de obtener datos experimentales y ajustarlos a modelos termodinámicos. Una de las primeras correlaciones obtenidas para predecir el efecto de las sales sobre el equilibrio líquido-vapor fue propuesta por Furter (1975). Sin embargo, ésta resulto eficiente solo para concentraciones menores a 0.1 moles de sal, quedando limitada para concentraciones mayores.

La ecuación de Wilson fue aplicada para predecir el efecto salino (Tatsievskaya et al., 1982), determinando que el modelo era adecuado para predecir la fase vapor e ineficaz para la fase líquida.

Modelos termodinámicos más complejos como la NTRL y la UNIQUAC fueron utilizadas para tratar de predecir el efecto salino. La ecuación NTRL con 12 parámetros de ajuste fue aplicada por Mock y Evans (1986); Tan (1990) obtuvieron resultados similares a la ecuación de Wilson. La ecuación UNIQUAC, utilizada por Sander y Frendenslund (1986); Iliuta y Thyrion (1995), fue capaz de predecir con mayor exactitud el efecto de la sal en ambas fases; sin embargo, requiere de 14 parámetros de ajuste.

Mientras Kolker y De Pablo (1996), desarrollaron un modelo termodinámico basado en la ecuación de Duhem-Gibbs para tratar de pre-decir simultáneamente el efecto salino en la fase líquida que contiene la sal y la fase vapor. Resultó eficiente para predecir tales efectos solamente para mezclas de solventes-agua e ineficiente para mezclas de solventes.

En las investigaciones reportadas anteriormente sobre la mezcla acetona-metanol, no se describen los efectos simultáneos de la sal y la manipulación del reflujo sobre el punto azeotrópico durante el proceso de destilación, situación de estudio en este trabajo.

DESARROLLO METODOLÓGICO

Se construyó una columna (2.5 centímetros de diámetro interno) empacada con relleno de vidrio distribuidos al azar (altura de 1.2 metros), para permitir el máximo contacto entre la fase vapor y líquida. Dos termómetros marca Taylor con una precisión de 0.01ºC fueron colocados para determinar los cambios de temperatura en las fases. Se ubica uno en el domo y otro en el matraz que contiene la sal. En la Figura 1, se ilustra

...