destilación en membranas de disoluciones acuosas de alcoholes

197 Pages·2007·2.26 MB·Spanish

by  Rafael Moreno

Departamento de Física Aplicada I. Facultad de Ciencias Físicas
Universidad Complutense de Madrid

DESTILACIÓN EN MEMBRANAS DE
DISOLUCIONES ACUOSAS DE

ALCOHOLES

Tesis Doctoral

MARÍA DEL CARMEN GARCÍA PAYO

Madrid, 1998

Departamento de Física Aplicada I
Facultad de Ciencias Físicas
Universidad Complutense de Madrid

Destilación en membranas de
disoluciones acuosas de
alcoholes

Memoria presentada por Dña. MARÍA DEL CARMEN GARCÍA PAYO
para optar al grado de DOCTOR EN CIENCIAS FÍSICAS por la
Universidad Complutense de Madrid.

Madrid, 1.998

A mis padres, pues para ellos la
educación de sus hijos ha sido su mayor
satisfacción.
A mis hermanos.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido realizado en el Departamento de Física Aplicada I de la Facultad de
Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid. Son muchas las personas que han
participado directa o indirectamente y que han estado a mi lado durante la realización de esta
tesis. En primer lugar, me gustaría expresar mi agradecimiento al Prof. D. Cristóbal Fernández
Pineda, director de este trabajo, por la confianza depositada en mi persona a lo largo de estos
años. Nuestras largas y “cabezonas” discusiones fueron muy enriquecedoras y me alegro de
haberle tenido como maestro.
Asimismo, quiero agradecer al Director del Departamento de Física Aplicada I, Prof. D.
Juan Ignacio Mengual Cabezón, y a todos los miembros del mismo, por su ayuda en estos
años. En concreto, debo mencionar a Amparo Izquierdo Gil por su colaboración desde el
comienzo de este trabajo. También agradezco al Prof. D. Carlos Fernández Tejero la
posibilidad de utilizar su estación de trabajo para realizar los cálculos teóricos y a Ricardo Brito
y Marisol Ripoll por ayudarme con los programas de FORTRAN.
Afortunadamente, durante estos años he podido trabajar con muchas personas de
distintos Departamentos y Facultades, los cuales siempre han estado dispuestos a ayudarme.
Aquí, me gustaría agradecer a la Prof. Dª. Irmina Hernández Fuentes, del Departamento de
Química-Física de la Facultad de Químicas, la posibilidad de realizar las medidas de
viscosidades en su laboratorio y con ello haber tenido la oportunidad de conocerla. También
quiero agradecer al Director de dicho Departamento, Prof. D. Javier Núñez Delgado, y a sus
colaboradores Valentín, Jesús y José por su ayuda en la calibración de las sondas Pt-100, por
los muchos litros de agua destilada que nos facilitaron y los buenos ratos y risas compartidos.
Igualmente, deseo expresar mi agradecimiento al Prof. D. José Morales Bruque, del
Departamento de Física de la Universidad de Extremadura, por brindarme la oportunidad de
v
medir ángulos de contacto y abrirme las puertas de su laboratorio. A Marisa, Carmen y Luis
por su ayuda en todo momento y por su cálida e inolvidable compañía en Badajoz.
También me gustaría agradecer al Prof. D. Jacek Gli⏐ski, de la Universidad de Wroclaw
(Polonia), por haberme proporcionado desinteresadamente los datos sobre tensiones
superficiales de disoluciones acuosas de alcoholes, tan útiles en el capítulo 3 de esta tesis.
Además, quiero agradecer a Miguel Angel Martín, del Departamento de Física Aplicada
III de esta Facultad, su ayuda con el programa TestPoint© empleado en las medidas de la
conductividad térmica de las membranas, y al Dr. D. Manuel Domínguez Alonso, del Instituto
del Frío (C.S.I.C.), por facilitarme el material aislante para verificar dicho dispositivo y por
contribuir con su experiencia al desarrollo de estas medidas.
Del mismo modo, agradezco al Prof. D. Vicente Quesada, de la Facultad de Matemáticas,
sus consejos en el manejo del programa STATGRAPHICS utilizado en el tratamiento
estadístico de los ajustes realizados en este trabajo.
Pero, sin duda, han sido los amigos y los seres queridos los que más han soportado mis
lamentos cuando se deterioraban los aparatos, o cuando surgía la desesperación en los malos
momentos y, también, los que han compartido conmigo las ilusiones y alegrías. A todos ellos
quiero agradecerles su aguante, amistad y amor. En especial, a Elvira por su apoyo
incondicional, nuestras largas charlas en las comidas y el estar a mi lado en todo momento. A
Juan Pedro por sus “e-mails” reanimadores y por escucharme durante horas. A mis chicas de
la piscina por aguantarse las ganas de ahogarme durante tantos años. Y a Carlos por sus
desayunos.
Y, sobre todo, a Miguel Angel por estar a mi lado, darme fuerzas para terminar y
devolverme mi sonrisa.
Por último, a mis padres y hermanos que sin su amor y su apoyo total no hubiese sido
posible este trabajo, especialmente a mi hermana Iluminada que ha sido durante toda mi vida
mi mayor soporte, mi mejor amiga.

Este trabajo ha sido llevado a cabo con la ayuda financiera de la CICYT (proyectos ALI-
91-1126-CO3-02 y ALI-94-1044-CO3-02), con la que ha sido posible adquirir parte del
material utilizado.
vi
Índice
Agradecimientos v
Índice vii
Capítulo 1: Introducción general 1
1.1 Fenómenos de transporte a través de membranas......................................................................................1
1.2 Destilación en membranas...............................................................................................................................2
1.2.1 Principios de la destilación en membranas........................................................................................5
1.2.2 Modalidades.............................................................................................................................................6
1.2.3 Membranas..............................................................................................................................................7
1.2.4 Ventajas y limitaciones..........................................................................................................................8
1.3 Pervaporación..................................................................................................................................................10
1.4 Objetivos y estructura de la tesis..................................................................................................................11
1.5 Bibliografía........................................................................................................................................................12
Capítulo 2: Dispositivos y métodos experimentales 15
2.1 Introducción.....................................................................................................................................................15
2.2 Dispositivos para la destilación en membranas.........................................................................................16
2.2.1 Células.....................................................................................................................................................16
2.2.1.1 Con “gap” de aire......................................................................................................................16
2.2.1.2 En contacto directo..................................................................................................................19
2.2.2 Elementos auxiliares............................................................................................................................20
2.2.2.1 Depósitos de líquidos...............................................................................................................20
2.2.2.2 Conexiones y tubos...................................................................................................................21
2.2.2.3 Bombas........................................................................................................................................21
2.2.3 Sistema de medida de presiones........................................................................................................22
2.2.4 Sistema de control y medida de temperaturas................................................................................22
2.2.4.1 Termostatos de circulación......................................................................................................22
2.2.4.2 Cambiadores de calor...............................................................................................................22
2.2.4.3 Sondas termométricas Pt-100.................................................................................................23
2.2.5 Sistema de medida de niveles.............................................................................................................23
2.3 Membranas.......................................................................................................................................................23
2.4 Disoluciones.....................................................................................................................................................24
2.5 Métodos experimentales................................................................................................................................24
2.5.1 Medidas de la temperatura..................................................................................................................24
vii
viii Índice
2.5.2 Medidas del flujo...................................................................................................................................26
2.5.3 Medidas de la presión..........................................................................................................................27
2.5.4 Medidas de la concentración..............................................................................................................27
2.5.5 Medidas complementarias...................................................................................................................28
2.5.5.1 Medidas del espesor del “gap” de aire...................................................................................28
2.6 Técnicas de caracterización de las membranas..........................................................................................31
2.6.1 Presión de entrada de líquido.............................................................................................................31
2.6.2 Conductividad térmica de las membranas.......................................................................................32
2.6.3 Microscopía electrónica de barrido...................................................................................................34
2.6.4 Ángulos de contacto en el sistema membrana-disolución............................................................36
2.6.5 Espesor y porosidad de la membrana..............................................................................................36
2.7 Técnicas de caracterización de las disoluciones.........................................................................................38
2.7.1 Medida de la densidad.........................................................................................................................38
2.7.2 Medida de la viscosidad.......................................................................................................................40
2.8 Bibliografía........................................................................................................................................................42
Capítulo 3: Presión de entrada de líquido en membranas hidrófobas 43
3.1 Introducción.....................................................................................................................................................43
3.2 Fundamento teórico........................................................................................................................................44
3.3 Métodos experimentales.................................................................................................................................50
3.3.1 Medidas de la presión de entrada de líquido...................................................................................50
3.3.2 Medidas de los ángulos de contacto.................................................................................................51
3.4 Resultados experimentales.............................................................................................................................52
3.4.1 Medidas de la presión de entrada de líquido...................................................................................52
3.4.2 Medidas de los ángulos de contacto.................................................................................................59
3.5 Discusión de resultados..................................................................................................................................60
3.5.1 Determinación de r y γ m a partir de las curvas LEP-γ ...............................................................61
L L
3.5.2 Determinación de r, R/r y α a partir de las medidas del LEP y de θ ......................................67
A
3.5.3 Análisis de los valores experimentales del ángulo de contacto....................................................70
3.6 Bibliografía........................................................................................................................................................71
Capítulo 4: Fundamento teórico 73
4.1 Introducción.....................................................................................................................................................73
4.2 Polarización de temperaturas.........................................................................................................................76
4.2.1 Con “gap” de aire.................................................................................................................................77
4.2.1.1 Coeficiente de transferencia de calor para la condensación en película de una
mezcla de vapores.....................................................................................................................84
4.2.2 En contacto directo..............................................................................................................................85
4.3 Polarización de concentraciones...................................................................................................................88