Simulador de destilación — Experiencia 1

Explora cómo el tipo de columna y las condiciones de operación afectan la separación de una mezcla etanol–agua, usando el mismo modelo de McCabe–Thiele y la curva de equilibrio de la guía de laboratorio. Los tres sistemas corresponden a las Partes A, B y C de la experiencia.

¿Qué estoy viendo?

Los círculos son vapor y las gotas son líquido; el color indica la composición local, de agua (azul) a etanol (ámbar). Cada trazador nace donde el modelo dice que ocurre ese flujo. Las burbujas en el balón son la evaporación. Las gotas que bajan por la pared de la columna son condensación parcial: el reflujo interno, causado por el calor que pierde el vidrio. En el condensador, la franja caliente marca el tramo con vapor y la línea azul el punto de condensación total; desde ahí corre líquido por el tubo, y solo cuando escurre del adaptador caen gotas en la probeta. Junto a la columna se lee, por segmento, la temperatura del vapor, la de la pared y el porcentaje del vapor entrante que condensa ahí. El tono rojo del vidrio indica su temperatura.

Temperaturas

Composición (% v/v etanol)

Fracciones (probetas) · ρ medida a T ambiente

Gradientes de temperatura, diagrama T–x–y y McCabe–Thiele en vivo

Cómo leer estos tres diagramas

Perfil de temperaturas: el círculo lleno es el fluido (vapor o líquido) y el anillo es la pared de vidrio; el rombo rojo es la lectura del termómetro. Mientras la pared esté más fría que el vapor, el vapor condensa en ella, y esa diferencia de temperatura es la fuerza impulsora del reflujo interno.

T–x–y: el líquido del balón está sobre la curva de burbuja y su vapor sobre la curva de rocío, unidos por una línea de reparto (una etapa de equilibrio). La línea morada sigue al vapor por cada segmento (1, 2, … y C = cabeza): cada paso hacia la derecha y hacia abajo es enriquecimiento en etanol. Los anillos sobre la curva de burbuja son la película de líquido de cada segmento; el círculo azul es el destilado y la línea roja la lectura del termómetro.

McCabe–Thiele en vivo: la línea morada parte del balón (etapa de equilibrio) y sube por cada segmento mojado con su enriquecimiento real; los tramos horizontales son la línea de operación que imponen el reflujo interno L y el vapor V. La escalera gris punteada es la columna ideal a reflujo total con la misma carga.

La franja verde en los gráficos de tiempo marca el régimen cuasi-estacionario. En destilación por lotes nunca hay un estado estacionario verdadero, porque el balón se empobrece en etanol de forma continua.

Mejoras para el reflujo y la pureza del etanol

En el montaje del laboratorio el único reflujo es el que condensa en la pared (L/V ≈ 0.1–0.3), así que cada fracción se enriquece poco. Para un etanol más puro hay que aumentar el reflujo controlado y el contacto vapor–líquido:

  1. Destilar más lento (menos potencia): sube L/V con el mismo vidrio. Es gratis, pero tarda más.
  2. Cabeza de reflujo (divisor con llave, o un condensador vertical sobre la columna): devuelve R partes de condensado por cada parte recogida. Es la mejora más efectiva.
  3. Columna rellena (anillos Raschig, hélices de vidrio o lana de acero inoxidable en la columna): más superficie de contacto y más platos teóricos. Sin reflujo no sirve: solo rinde si hay líquido que baje por el relleno.
  4. Aislar la columna cuando el reflujo viene de la cabeza (no de la pared): así la columna opera adiabática y el reflujo es el que tú fijas.
  5. Separar cabezas y colas: guardar solo las primeras fracciones ricas y redestilar lo recolectado (destilación en dos pasos).

Comparación automática (carga y P actuales)
EstrategiaFracción 1 (% v/v)Fracción 2 (% v/v)Tiempo a la 1.ª fracción
Pulsa «Comparar estrategias de mejora» en el menú.
Modelo dinámico. Manta calefactora con inercia térmica → balón (calentamiento sensible, ebullición en el punto de burbuja o, sin piedras, sobrecalentamiento y bumping) → segmentos de columna y cabeza, cada uno con balance de energía del vidrio, balance de materia con retención de líquido, eficiencia de Murphree que cae con la columna seca o el vapor rápido, y límite de inundación → condensador Liebig con camisa de agua (bomba encendida o apagada) → adaptador con retención → probeta. El reflujo interno sale de la pérdida de calor del vidrio, calculada en cada instante; no es un parámetro fijo.
Datos y correlaciones de literatura. Equilibrio líquido-vapor: NRTL con parámetros ajustados en este trabajo a los datos isobáricos a 101.3 kPa de Carey & Lewis (1932), tabulados en el Perry's Chemical Engineers' Handbook (Δg₁₂ = 755.4 J/mol, Δg₂₁ = 4566.9 J/mol, α = 0.525; desviación media 0.09 °C en T y 0.0035 en y; azeótropo calculado x = 0.905 a 78.16 °C frente a 0.894 a 78.15 °C experimental). Contraste independiente con la tabla T–x–y del CRC Handbook, 44.ª ed. (1963): desviación media 0.9 °C. Presiones de vapor: ecuación de Antoine, NIST Chemistry WebBook (etanol: Ambrose & Sprake, 1970; Ambrose et al., 1975; agua: Bridgeman & Aldrich, 1964). Densidades de mezcla a 10–30 °C: Lange's Handbook of Chemistry, 10.ª ed. (1967). Calores latentes y capacidades caloríficas: NIST. Vidrio borosilicato: cp ≈ 0.83 J/(g K), ε ≈ 0.92; papel aluminio ε ≈ 0.03–0.05 (tablas de emisividad). Pérdidas de calor: convección natural en cilindro vertical, h = 1.42(ΔT/L)1/4 (Holman, Heat Transfer), más radiación; con campana, flujo cruzado de 0.4 m/s (rango 80–100 fpm asociado a ANSI/ASSP Z9.5) con la correlación de Hilpert. Inundación: límite de flujo en contracorriente de Wallis (1969), C = 0.725. Presión de Santiago: atmósfera estándar a ≈ 520 m.
Supuestos sin dato bibliográfico directo (órdenes de magnitud razonables, a ajustar con mediciones propias): masas de vidrio desde la geometría típica (pared de 1.5 mm), brecha de aire de ≈ 1 mm entre capas de aluminio, constricción efectiva de 8 mm en las indentaciones Vigreux, eficiencias de contacto por segmento, potencia máxima de la manta (250 W), coeficiente global del condensador (≈ 370 W/m² K) y amplitud del sobrecalentamiento sin piedras (1–3 °C). No encontré mediciones publicadas de HETP para columnas Vigreux de 20 cm: los textos de laboratorio solo las describen como las de menor eficiencia entre las columnas comunes.